摘要(yao)：針對(dui)渦街(jie)流量(liang)計 抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)差的(de)缺點(dian),設計(ji)了一(yi)種新(xin)的傳(chuan)感器(qi)結構(gou)一一(yi)懸浮(fu)式差(cha)動傳(chuan)感器(qi),使流(liu)量計(ji)一次(ci)儀表(biao)輸出(chu)信号(hao)的信(xin)噪比(bi)大大(da)提高(gao).實驗(yan)結果(guo)表明(ming),采用(yong)此種(zhong)傳感(gan)器結(jie)構的(de)渦街(jie)流量(liang)計的(de)抗千(qian)擾性(xing)能得(de)到顯(xian)著改(gai)善.
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)是利(li)用旋(xuan)渦脫(tuo)離誘(you)發流(liu)體振(zhen)動的(de)原理(li)實現(xian)流量(liang)💃的計(ji)量,其(qi)主要(yao)特點(dian)是:無(wu)運動(dong)部件(jian)，因此(ci)不必(bi)考慮(lü)流體(ti)中雜(za)質對(dui)流量(liang)計的(de)物理(li)損害(hai),從而(er)極大(da)地拓(tuo)展了(le)精密(mi)流量(liang)計的(de)應用(yong)範圍(wei),并有(you)良好(hao)的線(xian)性度(du)、較大(da)的量(liang)程和(he)很強(qiang)的介(jie)質适(shi)應性(xing),可用(yong)于不(bu)同流(liu)🈲體的(de)穩态(tai)和瞬(shun)态流(liu)量的(de)🥰計量(liang).此外(wai)，它還(hai)有具(ju)有壓(ya)力損(sun)失小(xiao)、可靠(kao)性高(gao)、維護(hu)方便(bian)和不(bu)受流(liu)體組(zu)成、密(mi)度、溫(wen)㊙️度、壓(ya)力影(ying)響等(deng)優點(dian),是測(ce)量氣(qi)體、液(ye)🤩體、蒸(zheng)汽、混(hun)合型(xing)和腐(fu)蝕性(xing)流體(ti).的理(li)想的(de)流量(liang)計.
　　但(dan)是,渦(wo)街流(liu)量計(ji)存在(zai)兩大(da)缺陷(xian):(1)小流(liu)量信(xin)噪比(bi)低📱;(2)抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)差.其(qi)中抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)是衡(heng)量一(yi)台工(gong)業渦(wo)街流(liu)量計(ji)應✔️用(yong)好壞(huai)的一(yi)個重(zhong)要指(zhi)标.目(mu)前很(hen)多🌈工(gong)業用(yong)戶之(zhi)所以(yi)對渦(wo)街流(liu)量計(ji)的應(ying)用失(shi)去信(xin)心，是(shi)因爲(wei)在實(shi)際應(ying)用中(zhong),工業(ye)振動(dong)是普(pu)遍存(cun)在的(de);而一(yi)般的(de)工業(ye)振動(dong)頻率(lü)大💚都(dou)在幾(ji)赫茲(zi)到幾(ji)千赫(he)茲之(zhi)間,渦(wo)街流(liu)量計(ji)的旋(xuan)渦分(fen)離頻(pin)率正(zheng)好落(luo)在🥰這(zhe)個範(fan)圍之(zhi)内..
　　近(jin)10年來(lai),針對(dui)以上(shang)問題(ti)國内(nei)外學(xue)者做(zuo)了大(da)量的(de)研究(jiu),并且(qie)大部(bu)分研(yan)究主(zhu)要是(shi)從信(xin)号處(chu)理的(de)角度(du)出發(fa).如采(cai)用自(zi)适應(ying)譜分(fen)析方(fang)法對(dui)渦街(jie)信号(hao)進行(hang)處理(li)以提(ti)高渦(wo)街流(liu)量計(ji)的抗(kang)噪能(neng)力川(chuan)🔞,又如(ru)根據(ju)實驗(yan)數據(ju)對渦(wo)街流(liu)量産(chan)生的(de)信号(hao)建立(li)數學(xue)模型(xing)将🚶‍♀️譜(pu)預測(ce)的方(fang)法運(yun)用到(dao)渦街(jie)流量(liang)計上(shang)❌,用以(yi)提高(gao)渦街(jie)流量(liang)計的(de)抗幹(gan)擾性(xing)能,使(shi)計量(liang)精度(du)和可(ke)靠性(xing)得到(dao)提高(gao).除通(tong)過信(xin)号處(chu)理的(de)技術(shu)外，人(ren)們還(hai)從傳(chuan)感器(qi)⭕方面(mian)尋找(zhao)改善(shan)渦🌈街(jie)流量(liang)計性(xing)能的(de)❌思🌐路(lu)，如通(tong)過改(gai)進壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)達到(dao)💛減弱(ruo)管道(dao)振動(dong)對渦(wo)街流(liu)量計(ji)影響(xiang)的目(mu)的.
1懸(xuan)浮式(shi)差動(dong)傳感(gan)器的(de)設計(ji)
1.1流量(liang)傳感(gan)器幹(gan)擾噪(zao)聲分(fen)析
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)是根(gen)據卡(ka)門旋(xuan)渦頻(pin)率實(shi)現流(liu)量測(ce)量的(de)流量(liang)計.在(zai)具有(you)旋渦(wo)發生(sheng)體的(de)流場(chang)中,當(dang)兩旋(xuan)渦列(lie)之♈間(jian)的🐉距(ju)離h與(yu)同列(lie)的兩(liang)旋渦(wo)之間(jian)的距(ju)離L之(zhi)比滿(man)足h/L=0.281時(shi)🌂,形成(cheng)卡門(men)渦街(jie)如圖(tu)1所示(shi).大量(liang)實驗(yan)證明(ming):在一(yi)-定的(de)雷諾(nuo)數範(fan)圍内(nei),穩定(ding)的旋(xuan)渦發(fa)生💚頻(pin)率ƒ與(yu)旋渦(wo)發生(sheng)體側(ce)流速(su)u與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的柱(zhu)✊寬d有(you)如下(xia)确🛀定(ding)的關(guan)系:ƒ=(u/d)St.式(shi)🔞中St爲(wei)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)(無綱(gang)量),對(dui)于一(yi)定形(xing)狀的(de)旋渦(wo)發生(sheng)體,在(zai)一-定(ding)的雷(lei)諾數(shu)範圍(wei)内是(shi)一個(ge)🐉常數(shu).由于(yu)流體(ti)流🐆量(liang)與其(qi)流速(su)之間(jian)🌈存在(zai)線性(xing)關系(xi),所以(yi)通過(guo)測量(liang)旋渦(wo)發生(sheng)引起(qi)的流(liu)體振(zhen)動頻(pin)率，即(ji)可實(shi)現對(dui)流體(ti)㊙️流量(liang)的測(ce)量.
 
　　由(you)渦街(jie)流量(liang)計的(de)工作(zuo)原理(li)可見(jian)，渦街(jie)流量(liang)計是(shi)利用(yong)💞流體(ti)自身(shen)振動(dong)實現(xian)流體(ti)的測(ce)量的(de).而待(dai)測系(xi)統中(zhong)存在(zai)的壓(ya)力脈(mo)動或(huo)外界(jie)的振(zhen)動源(yuan)和噪(zao)聲源(yuan)也🚶‍♀️會(hui)引起(qi)待測(ce)系統(tong)中流(liu)體的(de)振🤞動(dong),這些(xie)外來(lai)的振(zhen)動信(xin)号，或(huo)改變(bian)旋渦(wo)振動(dong)頻率(lü)，或直(zhi)接進(jin)人🐉二(er)次儀(yi)表,造(zao)成計(ji)量誤(wu)差.理(li)想情(qing)況下(xia)，渦街(jie)流量(liang)計輸(shu)出正(zheng)弦🔱波(bo)信号(hao),但實(shi)際上(shang)由于(yu)流體(ti)流動(dong)噪聲(sheng)、機械(xie)振動(dong)噪聲(sheng)等千(qian)擾的(de)影響(xiang)🔞,它遠(yuan)非理(li)想的(de)正弦(xian)波信(xin)号，而(er)是一(yi)個混(hun)有強(qiang)噪聲(sheng)的🌏混(hun)合信(xin)号。
1.2懸(xuan)浮式(shi)差動(dong)傳感(gan)器的(de)結構(gou)
　　在渦(wo)街流(liu)量計(ji)中,懸(xuan)浮差(cha)動式(shi)流量(liang)傳感(gan)器的(de)安裝(zhuang)如圖(tu)2所示(shi),傳🈲感(gan)器B安(an)裝在(zai)旋渦(wo)發生(sheng)體A的(de)後面(mian).傳感(gan)器的(de)軸線(xian)與旋(xuan)渦發(fa)♍生體(ti)🏃🏻‍♂️平行(hang),整個(ge)傳感(gan)器都(dou)沉浸(jin)♻️在流(liu)體中(zhong)[5].圖中(zhong)的懸(xuan)浮式(shi)差動(dong)傳感(gan)器在(zai)設計(ji)中使(shi)用了(le)4個壓(ya)⛱️電晶(jing)體作(zuo)爲檢(jian)測元(yuan)件，在(zai)平闆(pan)兩側(ce)對稱(cheng)固定(ding)了兩(liang)個檢(jian)測單(dan)元，以(yi)形成(cheng)差動(dong)結✨構(gou).每個(ge)檢測(ce)單元(yuan)外形(xing)爲一(yi)個半(ban)圓柱(zhu)型殼(ke)🎯體，殼(ke)體内(nei)具有(you)與平(ping)闆軸(zhou)線平(ping)行的(de)通✨孔(kong),通孔(kong)内有(you)兩個(ge)尺寸(cun)、質量(liang)和靈(ling)敏度(du)系數(shu)都相(xiang)同的(de)壓電(dian)陶瓷(ci)片，兩(liang)壓電(dian)陶瓷(ci)片之(zhi)間由(you)一金(jin)屬質(zhi)量塊(kuai)相連(lian),該質(zhi)量塊(kuai)與兩(liang)壓電(dian)陶瓷(ci)片焊(han)接在(zai)一起(qi)組成(cheng)一個(ge)📱剛體(ti).金屬(shu)質量(liang)塊同(tong)時也(ye)📐作爲(wei)壓電(dian)陶瓷(ci)的輸(shu)出電(dian)極,引(yin)出檢(jian)測信(xin)号給(gei)電荷(he)放大(da)電路(lu).兩片(pian)壓電(dian)晶體(ti)采用(yong)并聯(lian)式結(jie)構,如(ru)圖3所(suo)🥵示,使(shi)輸出(chu)🌍電荷(he)量加(jia)倍,以(yi)達到(dao)增🔞大(da)渦街(jie)流量(liang)信号(hao)的目(mu)的.
 
　　每(mei)個檢(jian)測單(dan)元的(de)_上”下(xia)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片在(zai)安裝(zhuang)時必(bi)💃🏻須具(ju)有相(xiang)等的(de)受壓(ya)預緊(jin)力，以(yi)保證(zheng)由兩(liang)個壓(ya)電陶(tao)瓷片(pian)與金(jin)屬🈲質(zhi)量塊(kuai)形🌂成(cheng)的剛(gang)體中(zhong)會形(xing)成一(yi)個内(nei)應力(li)分界(jie)面.由(you)于金(jin)屬質(zhi)量塊(kuai)具有(you)一定(ding)的厚(hou)度，所(suo)以内(nei)應力(li)分界(jie)面一(yi)定會(hui)在金(jin)屬質(zhi)量塊(kuai)的内(nei)部♌,而(er)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片又(you)是嚴(yan)格對(dui)稱匹(pi)✉️配的(de)，因此(ci),可以(yi)在結(jie)構上(shang)保證(zheng)在受(shou)到相(xiang)等的(de)力的(de)作用(yong)時,這(zhe)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片能(neng)夠産(chan)生相(xiang)等的(de)電荷(he).
1.3懸浮(fu)式差(cha)動傳(chuan)感器(qi)的抗(kang)幹擾(rao)工作(zuo)原理(li)
1.3.1懸浮(fu)式結(jie)構對(dui)振動(dong)幹擾(rao)的抑(yi)制
　　懸(xuan)浮式(shi)結構(gou)對于(yu)流場(chang)中的(de)振動(dong)幹擾(rao)噪聲(sheng)可以(yi)實🔴現(xian)♈有效(xiao)的抑(yi)☔制.管(guan)道在(zai)外界(jie)幹擾(rao)作用(yong)下産(chan)生的(de)振♍動(dong)總是(shi)可以(yi)分解(jie)爲如(ru)圖4所(suo)示的(de)三個(ge)方向(xiang)，即方(fang)向a----與(yu)旋渦(wo)👅升力(li)方💋向(xiang)相同(tong)、方向(xiang)b----與🔆流(liu)體流(liu)⛷️動方(fang)向垂(chui)直、方(fang)向c--與(yu)流體(ti)流動(dong)方向(xiang)平行(hang).根據(ju)懸浮(fu)式差(cha)動傳(chuan)感器(qi)結構(gou)與安(an)裝方(fang)式，可(ke)知方(fang)向b與(yu)方向(xiang)🔞c上的(de)振動(dong)幹👨‍❤️‍👨擾(rao)不會(hui)産生(sheng)噪聲(sheng)信号(hao),隻有(you)方向(xiang)a的振(zhen)動幹(gan)擾可(ke)引起(qi)傳感(gan)器🏒殼(ke)體的(de)跟随(sui)振動(dong).此時(shi),由于(yu)傳感(gan)器中(zhong)金屬(shu)✔️質量(liang)塊的(de)慣性(xing)作🌈用(yong)，檢測(ce)單元(yuan)中上(shang)下對(dui)稱的(de)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片會(hui)分别(bie)📞受到(dao)壓力(li)和拉(la)力的(de)作用(yong),這💯使(shi)得兩(liang)個壓(ya)電陶(tao)瓷片(pian)分🛀🏻别(bie)産生(sheng)極性(xing)相反(fan)的正(zheng)負♉電(dian)荷信(xin)号.由(you)于兩(liang)個壓(ya)電💔陶(tao)瓷片(pian)采用(yong)并聯(lian)結構(gou),所♻️以(yi)當🔆上(shang)下兩(liang)個壓(ya)電陶(tao)瓷片(pian)的信(xin)号在(zai)金屬(shu)質量(liang)塊中(zhong)相加(jia)時,幹(gan)擾信(xin)号所(suo)産生(sheng)的電(dian)荷信(xin)号會(hui)相互(hu)抵消(xiao),傳感(gan)器起(qi)到👅了(le)自減(jian)振的(de)作用(yong),從⛷️而(er)極大(da)地削(xue)弱了(le)此方(fang)向的(de)幹擾(rao)信号(hao).
 
1.3.2差動(dong)式結(jie)構對(dui)振動(dong)幹擾(rao)的抑(yi)制
　　如(ru)圖3所(suo)示，當(dang)旋渦(wo)流經(jing)傳感(gan)器時(shi)，旋渦(wo)産生(sheng)的交(jiao)變壓(ya)力🏃作(zuo)用在(zai)兩個(ge)檢測(ce)單元(yuan)的彈(dan)性膜(mo)片上(shang),使兩(liang)側的(de)壓㊙️電(dian)陶瓷(ci)片💔交(jiao)替💁産(chan)生電(dian)荷.兩(liang)個檢(jian)測單(dan)元會(hui)輸出(chu)帶有(you)噪聲(sheng)的🔞正(zheng)弦信(xin)号Si與(yu)S2,如圖(tu)5所示(shi)😍.由于(yu)兩個(ge)檢測(ce)單元(yuan)的🚶‍♀️對(dui)稱性(xing),使得(de)St與S2信(xin)号中(zhong)所含(han)的渦(wo)街流(liu)量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信(xin)号的(de)幅值(zhi)與頻(pin)率相(xiang)同、相(xiang)位相(xiang)差180°;又(you)因爲(wei)管道(dao)振動(dong)、流場(chang)脈動(dong)等引(yin)起的(de)幹擾(rao)振動(dong)對兩(liang)側的(de)壓電(dian)陶瓷(ci)片的(de)作用(yong)是一(yi)🈲緻的(de),所以(yi)S1與S2信(xin)号中(zhong)所含(han)幹擾(rao)信号(hao)爲幅(fu)值、頻(pin)率與(yu)相位(wei)都相(xiang)同的(de)共模(mo)信号(hao).在采(cai)用差(cha)動式(shi)電荷(he)放大(da)前置(zhi)🤩放大(da)電路(lu)中,輸(shu)出信(xin)号隻(zhi)含有(you)差模(mo)信号(hao)S1-S2,從而(er)有效(xiao)地抑(yi)制了(le)振動(dong)幹擾(rao).
 
2實驗(yan)結果(guo)
　　圖6與(yu)圖7分(fen)别爲(wei)傳統(tong)渦街(jie)流量(liang)計與(yu)使用(yong)了懸(xuan)浮式(shi)差👈動(dong)傳感(gan)器🥰的(de)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)管道(dao)受到(dao)外力(li)敲擊(ji)時的(de)渦街(jie)流量(liang)信号(hao)(該信(xin)号爲(wei)經差(cha)動放(fang)大後(hou)的信(xin)号).由(you)圖6可(ke)見,傳(chuan)統渦(wo)街流(liu)量計(ji)對振(zhen)動非(fei)常敏(min)感，渦(wo)街流(liu)量信(xin)㊙️号中(zhong)疊加(jia)🔞了很(hen)強的(de)幹擾(rao)信号(hao).而在(zai)使用(yong)🏒了懸(xuan)浮式(shi)差動(dong)傳感(gan)器的(de)渦街(jie)流量(liang)計中(zhong),管道(dao)受到(dao)敲擊(ji)時的(de)幹擾(rao)被大(da)大削(xue)弱,在(zai)經差(cha)動放(fang)大後(hou)幾乎(hu)沒有(you)幹擾(rao)❤️信号(hao).
 
結論(lun)
　　爲了(le)使渦(wo)街流(liu)量計(ji)能夠(gou)測量(liang)低流(liu)速、小(xiao)流量(liang)的信(xin)号,必(bi)✔️需盡(jin)量提(ti)高有(you)效流(liu)量信(xin)号的(de)幅值(zhi),而降(jiang)低幹(gan)🍓擾噪(zao)🈚聲的(de)幅值(zhi),即提(ti)高信(xin)号的(de)信噪(zao)比.我(wo)們的(de)工作(zuo)針對(dui)一⭐次(ci)儀表(biao)展開(kai),提💜出(chu)了一(yi)種新(xin)穎的(de)傳感(gan)器結(jie)構懸(xuan)浮式(shi)差動(dong)傳感(gan)器.實(shi)驗證(zheng)明,該(gai)傳感(gan)器可(ke)使渦(wo)💋街信(xin)号的(de)信💞噪(zao)比大(da)大提(ti)⚽高,從(cong)而使(shi)現有(you)渦街(jie)流量(liang)計的(de)抗幹(gan)擾性(xing)能得(de)以極(ji)大的(de)改善(shan).它對(dui)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)的理(li)論研(yan)究及(ji)工程(cheng)應用(yong)都具(ju)有重(zhong)要的(de)意義(yi).

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