摘要(yao)：針對渦街(jiē)流量計 抗(kàng)幹擾性能(néng)差的缺點(diǎn),設計了一(yī)種新的傳(chuán)感器結構(gòu)🔞一㊙️一懸浮(fú)㊙️式差動傳(chuan)感器,使流(liu)量計一次(cì)儀表輸出(chū)信号的信(xìn)噪比大大(dà)提高.實驗(yàn)結果表明(ming),采用此種(zhong)傳感器結(jie)構的渦街(jiē)流量計🈚的(de)抗千擾性(xing)能得到顯(xian)著改善💜.
　　渦(wo)街流量計(jì)是利用旋(xuán)渦脫離誘(you)發流體振(zhèn)動的原理(lǐ)實現流⭐量(liàng)的計量,其(qi)主要特點(diǎn)是:無運動(dòng)部件，因此(cǐ)不必考慮(lǜ)流體中雜(za)質對流量(liang)計的物理(li)損害,從而(ér)極大地拓(tuo)展了精密(mi)流量計💘的(de)應用🤞範圍(wei),并有良好(hǎo)的線性度(du)、較大的量(liang)程和很強(qiang)的介質适(shi)應性,可用(yong)于不同流(liu)🔞體的穩态(tài)和瞬态流(liú)量的♍計量(liang).此外，它🧑🏾‍🤝‍🧑🏼還(hái)有具有壓(ya)力‼️損失小(xiǎo)、可靠性高(gao)、維護方便(bian)和不受流(liu)體組成🌈、密(mi)度、溫🔞度、壓(ya)力影響等(děng)優⭐點,是測(ce)量氣體、液(yè)🔞體、蒸汽、混(hùn)合型和腐(fǔ)蝕性流體(tǐ).的理⭕想的(de)流量計.
　　但(dàn)是,渦街流(liú)量計存在(zai)兩大缺陷(xiàn):(1)小流量信(xìn)噪比低;(2)抗(kang)幹擾🐇性能(neng)差.其中抗(kang)幹擾性能(neng)是衡量一(yī)台工業渦(wō)街流量👈計(ji)應用好壞(huài)的一個重(zhòng)要指标.目(mu)前很多工(gōng)業用戶之(zhī)所以對渦(wō)🎯街流量✏️計(ji)的應用失(shī)去信心，是(shi)因爲在實(shí)際應用中(zhong),工業振動(dong)是普遍存(cún)在的;而一(yi)般的工業(ye)振動頻率(lü)大都在幾(ji)赫茲到幾(ji)千赫茲👅之(zhī)間,渦街流(liu)量計的旋(xuan)渦分離頻(pín)率正好落(luò)在這個範(fan)圍之内..
　　近(jin)10年來,針對(dui)以上問題(ti)國内外學(xué)者做了大(dà)量的研究(jiu),并且大部(bu)分研究主(zhǔ)要是從信(xin)号處理的(de)角度出發(fā).如采用📧自(zi)适應譜分(fèn)析方法對(duì)渦街信号(hao)進行處💃理(li)以提高渦(wo)街流量計(jì)的抗噪能(neng)力川,又如(rú)根據實🔞驗(yan)數據對🌈渦(wō)街流量産(chǎn)生的信🥰号(hao)建立數學(xué)模型将譜(pu)預測的方(fang)法運用到(dao)渦街流量(liang)計上,用以(yǐ)提高渦街(jiē)流量計的(de)抗幹擾性(xìng)能,使計量(liang)精度和可(ke)靠性得到(dao)提高.除通(tong)過信号處(chu)理的技術(shu)外，人們還(hai)從傳感器(qi)方面尋找(zhǎo)改善渦街(jiē)流量計性(xing)能的思路(lù)，如通過☔改(gǎi)進壓電傳(chuan)感器達到(dào)🤩減弱管道(dào)振動對渦(wo)街流量計(ji)影響的目(mu)的.
1懸浮式(shì)差動傳感(gǎn)器的設計(jì)
1.1流量傳感(gan)器幹擾噪(zao)聲分析
　　渦(wo)街流量計(ji)是根據卡(kǎ)門旋渦頻(pín)率實現流(liú)量測量📐的(de)流量計.在(zài)具有旋渦(wō)發生體的(de)流場中,當(dang)兩旋渦列(lie)之間的距(jù)離✍️h與同列(liè)的兩旋渦(wo)之間的距(ju)離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時,形成(cheng)卡門渦街(jiē)如圖1所示(shì).大量♌實驗(yàn)證明:在一(yi)-定的雷諾(nuo)數範圍内(nèi),穩定的旋(xuan)渦發生頻(pin)率ƒ與旋渦(wō)發生體側(cè)流速u與旋(xuan)渦發生體(tǐ)的柱寬d有(you)如下确🔞定(dìng)的關系:ƒ=(u/d)St.式(shì)中St爲斯特(tè)勞哈爾數(shu)(無綱量),對(dui)于一定形(xíng)狀的旋㊙️渦(wo)發生💞體,在(zai)一💘-定的雷(léi)諾數範圍(wéi)内是一個(ge)常數.由于(yu)流體流🌈量(liàng)與其流速(sù)之間存在(zài)線性關系(xì),所以通過(guò)測量旋渦(wō)發生引起(qi)的流體振(zhèn)動頻率，即(ji)可實現對(duì)流體流量(liàng)的測量.
 
　　由(yóu)渦街流量(liang)計的工作(zuo)原理可見(jian)，渦街流量(liàng)計是利🆚用(yong)流體自♌身(shen)振動實現(xian)流體的測(cè)量的.而待(dài)測系統中(zhōng)存在的壓(yā)力脈動或(huò)外界的振(zhen)動源和噪(zào)聲源也會(huì)引起待測(ce)系統中流(liú)體的振動(dong),這些外來(lái)的振動信(xin)号，或改變(biàn)旋渦振🛀🏻動(dòng)頻率，或♌直(zhí)接進人🚶二(èr)次儀表,造(zào)成計量誤(wu)差.理想情(qíng)況下，渦街(jie)流量計輸(shū)出正弦🐇波(bo)信号,但實(shi)💋際上由于(yú)流體流動(dòng)噪聲、機械(xiè)振動噪聲(shēng)等千擾的(de)影響,它遠(yuǎn)非理想的(de)正弦波信(xìn)号，而是🏒一(yi)個混有強(qiang)噪聲的混(hùn)合信号。
1.2懸(xuan)浮式差動(dong)傳感器的(de)結構
　　在渦(wō)街流量計(jì)中,懸浮差(chà)動式流量(liàng)傳感器的(de)安裝🔴如🍉圖(tú)2所示,傳感(gǎn)器B安裝在(zai)旋渦發生(shēng)體A的後面(mian).傳感♌器的(de)軸線與旋(xuán)渦發生體(ti)平行,整個(gè)傳感器都(dou)沉浸在流(liú)體💘中[5].圖中(zhong)的懸浮式(shì)差動傳感(gǎn)器在設計(jì)中使用了(le)4個壓電晶(jīng)體作爲檢(jiǎn)測元件，在(zài)平闆兩側(cè)對稱固定(ding)了兩個檢(jian)測單元，以(yǐ)形成差動(dong)結構.每個(gè)檢測👅單元(yuán)外形爲一(yī)個半圓柱(zhu)型殼體，殼(ke)體内具有(you)❗與平闆軸(zhóu)線平行的(de)通✏️孔,通孔(kǒng)🐅内有兩個(gè)尺寸、質量(liàng)和靈敏度(du)系數都相(xiàng)同的👉壓電(diàn)陶瓷片，兩(liang)壓電🧑🏾‍🤝‍🧑🏼陶瓷(cí)片之間由(you)一金⛱️屬質(zhi)量塊相連(lián),該質量塊(kuai)與兩壓電(dian)☂️陶瓷片焊(han)接在一起(qǐ)組🌂成一個(ge)剛體.金屬(shu)質量塊同(tóng)時也作爲(wèi)壓電陶瓷(ci)的輸出電(dian)👄極,引出檢(jiǎn)測信号給(gěi)電荷放大(dà)電路.兩片(piàn)壓電晶體(tǐ)采用并聯(lian)式結構,如(ru)圖3所🥵示,使(shi)輸出電荷(he)量加倍,以(yǐ)達到增大(da)渦街流量(liàng)信号的目(mu)的.
 
　　每個檢(jiǎn)測單元的(de)_上”下兩個(gè)壓電陶瓷(cí)片在安裝(zhuang)時必須具(ju)♋有相等的(de)受壓預緊(jin)力，以保證(zheng)由兩個壓(yā)電陶瓷片(piàn)與㊙️金屬質(zhi)量塊形成(cheng)的剛體中(zhōng)會形成一(yī)個内應力(lì)分界面.由(yóu)于金屬質(zhi)量塊具有(you)一定的厚(hòu)度，所以内(nei)應力分界(jie)面一定會(huì)在🧡金屬質(zhi)量塊的内(nei)部⛹🏻‍♀️,而兩個(ge)壓電陶瓷(cí)片又是嚴(yan)格對稱匹(pi)配的，因此(ci),可⛱️以在結(jie)構上保證(zheng)在受到相(xiang)等的力的(de)作用時,這(zhe)兩個壓電(dian)陶瓷片能(neng)夠産生相(xiàng)等的電🌈荷(hé).
1.3懸浮式差(cha)動傳感器(qì)的抗幹擾(rǎo)工作原理(li)
1.3.1懸浮式結(jie)構對振動(dong)幹擾的抑(yi)制
　　懸浮式(shi)結構對于(yu)流場中的(de)振動幹擾(rao)噪聲可以(yǐ)實現有效(xiào)的抑制.管(guan)道在外界(jie)幹擾作用(yòng)下産生的(de)振動總是(shì)可以分解(jie)爲🔞如圖4所(suǒ)示的三個(ge)方向，即方(fang)向😄a----與旋渦(wō)升力方向(xiang)相同、方向(xiang)b----與🛀🏻流體流(liú)動方向垂(chuí)直、方向c--與(yu)流體流動(dong)方向平行(hang).根據懸浮(fu)式差動傳(chuan)感器結構(gou)與安裝方(fāng)式，可知方(fāng)向b與方向(xiàng)c上的振動(dòng)幹擾不會(huì)産生噪聲(sheng)信号,隻有(yǒu)方✂️向a的振(zhèn)動幹擾可(ke)引起傳感(gan)器殼體的(de)🐕跟随振動(dong).此時,由于(yú)傳感器中(zhong)金屬✨質量(liang)塊的慣性(xing)作🐕用，檢測(ce)單元中上(shang)下對稱的(de)兩個壓電(dian)陶瓷片會(hui)分别受到(dao)壓力和拉(la)力的作用(yong),這使得兩(liǎng)個壓電陶(táo)瓷片分🐅别(bie)産生極性(xing)相💋反的正(zhèng)負電荷信(xìn)号.由于兩(liang)個壓電💃🏻陶(tao)瓷片采用(yong)并聯結構(gou),所以當上(shang)下兩個壓(yā)電陶瓷片(piàn)的信⁉️号在(zài)金屬質量(liàng)塊中相加(jia)時,幹擾信(xin)号所産生(shēng)的電荷信(xin)号會相互(hu)抵消,傳感(gǎn)器起到了(le)自減振的(de)作用,從而(er)極大地削(xue)弱💔了此方(fāng)向的幹擾(rao)信号.
 
1.3.2差動(dòng)式結構對(duì)振動幹擾(rao)的抑制
　　如(ru)圖3所示，當(dāng)旋渦流經(jing)傳感器時(shí)，旋渦産生(sheng)的交變壓(yā)力作用在(zài)兩個檢測(cè)單元的彈(dan)性膜片上(shàng),使兩側的(de)壓電陶瓷(ci)片交替産(chǎn)生電荷.兩(liang)個檢測單(dān)元會輸出(chu)帶有噪聲(sheng)的♋正弦信(xin)号Si與S2,如圖(tú)5所示.由于(yu)兩個檢測(ce)單元的對(dui)稱性,使♊得(de)St與S2信号中(zhong)所含的渦(wō)街流量㊙️信(xìn)号的幅值(zhi)與頻率相(xiàng)同、相位相(xiàng)差180°;又因爲(wei)管道振動(dòng)、流場脈動(dong)等引起的(de)幹擾振動(dong)對兩側的(de)壓😄電陶👉瓷(cí)片的作用(yòng)是一緻的(de),所以S1與S2信(xin)号🐕中所含(hán)幹擾信号(hào)🐆爲幅值、頻(pin)率與相位(wèi)都相同的(de)共模信号(hao).在采用🈲差(cha)動式電🈲荷(he)放大前置(zhì)放大電🈲路(lu)中,輸出信(xin)号隻含🔴有(yǒu)差模信号(hào)S1-S2,從而有效(xiào)地抑制了(le)振動幹㊙️擾(rǎo).
 
2實驗結果(guo)
　　圖6與圖7分(fen)别爲傳統(tong)渦街流量(liàng)計與使用(yòng)了懸浮式(shì)差動傳😍感(gǎn)器的渦街(jiē)流量計在(zài)管道受到(dào)外力敲擊(ji)時的渦街(jie)流量信号(hào)(該信号爲(wèi)經差動放(fàng)大後的信(xìn)号).由圖6可(kě)見,傳統渦(wō)街流量計(ji)對振動非(fei)常敏感，渦(wō)街流量信(xin)号中疊加(jiā)了很強的(de)幹擾信号(hào).而在使用(yong)♍了懸浮式(shi)差動傳感(gǎn)器的渦街(jie)流量計中(zhōng),管道受到(dao)⛱️敲擊時的(de)幹擾被大(dà)大削弱,在(zài)經差動放(fàng)大後幾乎(hū)沒有幹擾(rao)信号.
 
結論(lun)
　　爲了使渦(wō)街流量計(jì)能夠測量(liàng)低流速、小(xiao)流量的信(xìn)号,必需盡(jin)量提高有(yǒu)效流量信(xin)号的幅值(zhí),而降低幹(gan)🌍擾噪聲的(de)幅值,即提(ti)高信号的(de)信噪比.我(wǒ)們的工作(zuo)針對一次(ci)儀表🌈展開(kai),提出了一(yī)種新穎的(de)傳感器結(jié)構懸浮式(shì)🌈差動傳感(gǎn)器.實驗證(zhèng)明,該傳感(gǎn)器可使渦(wo)🙇‍♀️街信号的(de)信噪比大(da)大提💋高,從(cóng)而使現有(you)渦街流量(liang)計的抗幹(gàn)擾性📐能得(de)以極大的(de)改善.它對(duì)于渦街流(liu)量計的理(li)論研究及(ji)工程應用(yong)都具✌️有重(zhong)要的意義(yi).

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