0引言(yan)
近年(nian)來，振(zhen)動測(ce)量技(ji)術得(de)以在(zai)航空(kong)、航天(tian)、電子(zi)、船舶(bo)等多(duo)領域(yu)發☂️展(zhan)和應(ying)用，呈(cheng)現出(chu)良好(hao)的發(fa)展态(tai)勢，也(ye)因此(ci)成爲(wei)了學(xue)者們(men)❄️争相(xiang)🔞研究(jiu)的熱(re)點話(hua)題。振(zhen)動測(ce)量技(ji)術是(shi)運用(yong)現代(dai)檢測(ce)手段(duan)實現(xian)對機(ji)械結(jie)構振(zhen)動的(de)檢測(ce)🙇🏻，測量(liang)其流(liu)體的(de)振動(dong)頻率(lü)，進而(er)确定(ding)流體(ti)㊙️在管(guan)道中(zhong)流速(su)與流(liu)量，而(er)渦街(jie)流量(liang)計正(zheng)是一(yi)種基(ji)于振(zhen)動測(ce)量原(yuan)理的(de)流量(liang)測量(liang)儀表(biao)，其主(zhu)要用(yong)來測(ce)量渦(wo)街流(liu)體在(zai)管道(dao)中産(chan)生的(de)旋渦(wo)頻率(lü)，是🆚依(yi)據流(liu)體振(zhen)動頻(pin)率與(yu)流速(su)之間(jian)的比(bi)例關(guan)系的(de)原理(li)來工(gong)作的(de)。渦街(jie)流量(liang)計應(ying)用過(guo)程中(zhong)需要(yao)利用(yong)振動(dong)檢測(ce)技術(shu)，将振(zhen)動量(liang)轉化(hua)爲相(xiang)對應(ying)的電(dian)荷✊量(liang)，并将(jiang)電荷(he)量轉(zhuan)化爲(wei)電㊙️壓(ya)量，而(er)電荷(he)放大(da)器在(zai)這其(qi)中起(qi)了關(guan)🐪鍵性(xing)作用(yong)，由此(ci)也成(cheng)了本(ben)文的(de)研究(jiu)重點(dian)，爲了(le)提升(sheng)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)精度(du)。
1振動(dong)測量(liang)内容(rong)介紹(shao)
振動(dong)測量(liang)技術(shu)是一(yi)種現(xian)代常(chang)用的(de)流量(liang)測量(liang)方法(fa)之一(yi)，其依(yi)據振(zhen)動測(ce)量基(ji)本原(yuan)理對(dui)機械(xie)結構(gou)振動(dong)進行(hang)檢測(ce)，并将(jiang)振動(dong)運動(dong)📐量轉(zhuan)化爲(wei)與之(zhi)成一(yi)定比(bi)💋例的(de)電學(xue)或是(shi)其它(ta)易于(yu)觀察(cha)✉️、分析(xi)和處(chu)理的(de)物理(li)信号(hao)，最後(hou)通過(guo)對該(gai)信号(hao)頻率(lü)的計(ji)算分(fen)析，獲(huo)取機(ji)械振(zhen)動結(jie)構的(de)振動(dong)特性(xing)☔，從而(er)實現(xian)對機(ji)械設(she)備振(zhen)動的(de)測量(liang)。
振動(dong)測量(liang)可根(gen)據結(jie)構振(zhen)動的(de)類型(xing)，将儀(yi)器設(she)備的(de)振動(dong)信号(hao)分爲(wei)兩類(lei):确定(ding)性振(zhen)動和(he)随機(ji)振動(dong)，本文(wen)所研(yan)🔱究渦(wo)街流(liu)量計(ji)中流(liu)🌏體所(suo)引起(qi)的振(zhen)動，是(shi)其中(zhong)🔱的确(que)定🌈性(xing)振動(dong)，利用(yong)振動(dong)傳感(gan)器實(shi)現振(zhen)動信(xin)号的(de)🌂采集(ji)，對流(liu)體的(de)振動(dong)頻率(lü)進行(hang)測量(liang)，從而(er)可以(yi)推算(suan)出流(liu)體的(de)流量(liang)與速(su)度。該(gai)基于(yu)振動(dong)測量(liang)技術(shu)原理(li)📞的渦(wo)街流(liu)量🔞計(ji)🍓目前(qian)已經(jing)被廣(guang)泛用(yong)于氣(qi)體、液(ye)體和(he)蒸汽(qi)流量(liang)的測(ce)量。同(tong)時，渦(wo)街流(liu)量計(ji)對于(yu)振動(dong)測量(liang)🤩來說(shuo)是檢(jian)測流(liu)體振(zhen)🔅動的(de)特征(zheng)參數(shu)，在具(ju)體的(de)測量(liang)過程(cheng)中可(ke)采用(yong)的方(fang)法有(you)三類(lei):機械(xie)量法(fa)、光測(ce)法和(he)☔電測(ce)法，本(ben)文所(suo)研究(jiu)的渦(wo)🔴街流(liu)量計(ji)中的(de)振動(dong)測量(liang)技術(shu)采用(yong)的📱是(shi)電測(ce)法，運(yun)用振(zhen)動測(ce)量傳(chuan)感器(qi)獲取(qu)🏃♀️機械(xie)振動(dong)信号(hao),并将(jiang)其轉(zhuan)化成(cheng)電信(xin)号，通(tong)過電(dian)荷放(fang)大器(qi)進行(hang)調理(li)放大(da)，進而(er)确定(ding)流體(ti)在管(guan)道中(zhong)流速(su)與流(liu)量。
2振(zhen)動測(ce)量系(xi)統的(de)構成(cheng)
根據(ju)上述(shu)内容(rong)可知(zhi)，本文(wen)振動(dong)測量(liang)系統(tong)研究(jiu)中采(cai)用的(de)是電(dian)測法(fa)，這是(shi)振動(dong)測量(liang)中常(chang)用方(fang)法，與(yu)光測(ce)法和(he)🌐機械(xie)法比(bi)較而(er)言，該(gai)方法(fa)具有(you)使用(yong)頻率(lü)範圍(wei)寬，動(dong)态範(fan)圍廣(guang)，測量(liang)靈🌈敏(min)度高(gao)等優(you)勢，而(er)且電(dian)測法(fa)能夠(gou)适用(yong)于不(bu)同的(de)測振(zhen)傳感(gan)器，而(er)信号(hao)也便(bian)于被(bei)記錄(lu)、處理(li)和傳(chuan)送。由(you)此，本(ben)文中(zhong)的振(zhen)動測(ce)量系(xi)統主(zhu)要由(you):振動(dong)傳感(gan)✂️器、電(dian)荷放(fang)大器(qi)、信号(hao)分析(xi)儀等(deng)構成(cheng)，如圖(tu)1所示(shi)。
2．1振動(dong)測量(liang)傳感(gan)器
振(zhen)動測(ce)量傳(chuan)感器(qi)是獲(huo)取振(zhen)動信(xin)息的(de)重要(yao)裝置(zhi)，是振(zhen)動測(ce)量⛱️系(xi)統的(de)核心(xin)部分(fen)，其種(zhong)類很(hen)多，在(zai)具體(ti)的應(ying)用測(ce)量中(zhong)應結(jie)合不(bu)同的(de)測量(liang)方法(fa)和目(mu)的選(xuan)用不(bu)同的(de)傳感(gan)器，以(yi)保證(zheng)測量(liang)效果(guo)。現代(dai)振動(dong)測量(liang)傳感(gan)器完(wan)全改(gai)變了(le)傳🏃🏻統(tong)的獨(du)立機(ji)械測(ce)量裝(zhuang)置，已(yi)經成(cheng)爲整(zheng)個振(zhen)😍動測(ce)量系(xi)統的(de)一個(ge)重要(yao)組成(cheng)部分(fen)，用💃🏻來(lai)檢測(ce)位移(yi)、速度(du)、加速(su)度、頻(pin)率和(he)相位(wei)，而且(qie)還🌏與(yu)電荷(he)放大(da)器💃等(deng)相關(guan)電子(zi)線路(lu)存在(zai)密切(qie)相關(guan)性。
同(tong)時，振(zhen)動測(ce)量傳(chuan)感其(qi)在機(ji)電變(bian)換原(yuan)理方(fang)面存(cun)在差(cha)異性(xing)，輸出(chu)的電(dian)量形(xing)式并(bing)不相(xiang)同，一(yi)般會(hui)将機(ji)械量(liang)的💋振(zhen)動信(xin)号轉(zhuan)化😘爲(wei)電阻(zu)、電感(gan)等電(dian)參數(shu)的變(bian)化，而(er)且要(yao)設置(zhi)專有(you)的測(ce)量路(lu)線以(yi)便針(zhen)對不(bu)同的(de)機電(dian)變化(hua)原㊙️理(li)，将傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出🔱電(dian)量轉(zhuan)化成(cheng)爲後(hou)續顯(xian)示、記(ji)錄、分(fen)析儀(yi)所接(jie)受🤟的(de)電信(xin)号形(xing)㊙️式。
2．2電(dian)荷放(fang)大器(qi)
電荷(he)放大(da)器能(neng)夠将(jiang)傳感(gan)器輸(shu)出的(de)微弱(ruo)電荷(he)信号(hao)轉化(hua)🏒爲放(fang)㊙️大的(de)電壓(ya)信号(hao)，同時(shi)又能(neng)夠将(jiang)傳感(gan)器的(de)高阻(zu)抗輸(shu)出轉(zhuan)換成(cheng)⭐低阻(zu)🙇♀️抗輸(shu)出，并(bing)成功(gong)驅動(dong)後續(xu)電路(lu)。同時(shi)，在振(zhen)動測(ce)量♍中(zhong)，鑒于(yu)振動(dong)傳感(gan)器在(zai)特性(xing)⁉️上呈(cheng)現出(chu)❌的差(cha)異性(xing)，測量(liang)參數(shu)涉及(ji)位移(yi)、速度(du)以及(ji)加速(su)度，而(er)且這(zhe)些被(bei)測振(zhen)動量(liang)的峰(feng)值、振(zhen)動頻(pin)率、周(zhou)期和(he)相位(wei)差等(deng)💋相關(guan)參數(shu)也應(ying)該包(bao)含其(qi)中，由(you)此，爲(wei)了使(shi)測量(liang)參數(shu)能🏃♂️夠(gou)以最(zui)佳的(de)方式(shi)⭕獲得(de)，在振(zhen)動傳(chuan)感器(qi)與信(xin)号分(fen)析儀(yi)之間(jian)需要(yao)設置(zhi)電荷(he)放大(da)器以(yi)🏃🏻♂️實現(xian)對位(wei)移、速(su)度和(he)加速(su)度等(deng)不同(tong)電荷(he)量信(xin)号的(de)放大(da)，并将(jiang)其轉(zhuan)化成(cheng)電壓(ya)或是(shi)電流(liu)信号(hao)。
2．3振動(dong)信号(hao)分析(xi)儀
振(zhen)動信(xin)号分(fen)析儀(yi)能夠(gou)顯示(shi)振動(dong)的測(ce)量參(can)數“加(jia)速💜度(du)，速度(du)，位移(yi)值”，現(xian)場數(shu)據采(cai)集及(ji)分析(xi)功能(neng)，還可(ke)以💜正(zheng)确診(zhen)斷(如(ru):不平(ping)衡🌈，不(bu)對中(zhong)，機械(xie)松動(dong)，軸承(cheng)故障(zhang)，齒輪(lun)箱故(gu)障)引(yin)起的(de)振動(dong)過大(da)，指出(chu)故障(zhang)發生(sheng)的位(wei)置及(ji)損壞(huai)程度(du)，從而(er)全♉面(mian)的掌(zhang)握機(ji)器設(she)備的(de)運行(hang)狀況(kuang)及發(fa)展趨(qu)勢。
3渦(wo)街流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理
本(ben)文渦(wo)街流(liu)量計(ji)是基(ji)于”卡(ka)門渦(wo)街“原(yuan)理而(er)發展(zhan)而來(lai)的一(yi)👣種流(liu)量測(ce)量儀(yi)器，其(qi)利用(yong)流體(ti)振動(dong)原理(li)實現(xian)流❤️量(liang)的測(ce)量。渦(wo)街流(liu)量🐉計(ji)是在(zai)流體(ti)的垂(chui)直流(liu)向上(shang)安裝(zhuang)一根(gen)或是(shi)多跟(gen)非流(liu)線型(xing)旋渦(wo)發生(sheng)體，在(zai)流體(ti)的流(liu)速達(da)到特(te)定比(bi)值時(shi)，會在(zai)阻流(liu)體的(de)兩側(ce)各🈲自(zi)釋放(fang)分離(li)出兩(liang)串規(gui)則的(de)旋轉(zhuan)方向(xiang)相反(fan)的旋(xuan)渦，而(er)且在(zai)一定(ding)的🤞一(yi)定雷(lei)諾數(shu)範圍(wei)内流(liu)體的(de)振動(dong)頻😘率(lü)與流(liu)速成(cheng)相關(guan)性，運(yun)用振(zhen)動檢(jian)測技(ji)術檢(jian)測旋(xuan)渦分(fen)離頻(pin)率就(jiu)能夠(gou)推算(suan)出流(liu)體的(de)平均(jun)🔞流速(su)和流(liu)量，具(ju)體的(de)工作(zuo)原理(li)如圖(tu)2所示(shi)。
當前(qian)，渦街(jie)流量(liang)計已(yi)經成(cheng)爲主(zhu)要流(liu)量測(ce)量儀(yi)器之(zhi)一，因(yin)其測(ce)量可(ke)靠性(xing)好，測(ce)量範(fan)圍寬(kuan)而被(bei)廣泛(fan)應用(yong)于石(shi)油、化(hua)工、發(fa)電等(deng)領域(yu)🔞，在對(dui)液體(ti)、氣體(ti)、蒸汽(qi)的流(liu)量計(ji)量及(ji)檢測(ce)♉和控(kong)制方(fang)面呈(cheng)現良(liang)好的(de)利用(yong)價值(zhi)。然而(er)，因爲(wei)渦街(jie)流量(liang)計是(shi)利用(yong)振動(dong)測量(liang)技術(shu)實現(xian)流體(ti)測量(liang)的，其(qi)較易(yi)受到(dao)外界(jie)的幹(gan)擾♉，影(ying)響了(le)其測(ce)量精(jing)度;同(tong)時，由(you)☔于渦(wo)街傳(chuan)感器(qi)傳輸(shu)的信(xin)号微(wei)弱，在(zai)噪聲(sheng)的影(ying)響下(xia)小流(liu)量測(ce)量受(shou)限。爲(wei)🌈了保(bao)證渦(wo)街流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度，應(ying)充分(fen)地利(li)用振(zhen)動檢(jian)測技(ji)術，并(bing)減小(xiao)電荷(he)放大(da)電路(lu)的噪(zao)聲，從(cong)而提(ti)高其(qi)應用(yong)性能(neng)。
4振動(dong)檢測(ce)技術(shu)在渦(wo)街流(liu)量計(ji)中的(de)應用(yong)
4．1渦街(jie)流量(liang)計流(liu)體振(zhen)動檢(jian)測
渦(wo)街流(liu)量計(ji)采用(yong)的是(shi)上述(shu)振動(dong)測量(liang)技術(shu)實現(xian)流體(ti)檢測(ce)的，對(dui)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)的振(zhen)動檢(jian)測而(er)言，其(qi)隻需(xu)檢測(ce)流體(ti)振🌏動(dong)的特(te)征參(can)數，也(ye)即流(liu)體在(zai)具體(ti)應用(yong)管道(dao)中産(chan)生的(de)旋渦(wo)頻率(lü)即可(ke)實現(xian)😄振動(dong)測量(liang)獲取(qu)振動(dong)測📱量(liang)信号(hao)。當前(qian)，渦街(jie)流量(liang)計中(zhong)應用(yong)的振(zhen)動檢(jian)測方(fang)式可(ke)采用(yong):壓電(dian)式☁️和(he)電容(rong)式，壓(ya)電式(shi)是通(tong)過交(jiao)替旋(xuan)渦導(dao)☔緻的(de)壓力(li)脈動(dong)使⛷️其(qi)檢測(ce)元件(jian)壓電(dian)晶體(ti)産生(sheng)電脈(mo)沖來(lai)進行(hang)檢🔞測(ce)的，而(er)電🌂容(rong)式的(de)檢測(ce)元件(jian)💃🏻是電(dian)容，其(qi)通過(guo)旋渦(wo)産生(sheng)的壓(ya)差促(cu)使電(dian)容量(liang)改變(bian)差值(zhi)來實(shi)現振(zhen)動測(ce)量，其(qi)中壓(ya)電元(yuan)件在(zai)響💰應(ying)速😘度(du)，以及(ji)其不(bu)易受(shou)流體(ti)密度(du)、粘度(du)和溫(wen)度的(de)影響(xiang)，具有(you)良好(hao)的穩(wen)定性(xing)，由此(ci)得以(yi)在渦(wo)街流(liu)量計(ji)中廣(guang)泛🐇應(ying)用。渦(wo)街流(liu)量計(ji)流體(ti)振動(dong)檢測(ce)具體(ti)如圖(tu)3所示(shi)。
本(ben)文渦(wo)街流(liu)量計(ji)振動(dong)測量(liang)系統(tong)中的(de)壓電(dian)式傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出的(de)微弱(ruo)電信(xin)号，同(tong)上述(shu)振動(dong)測量(liang)系統(tong)一樣(yang)需🔱要(yao)将電(dian)荷信(xin)号經(jing)過高(gao)輸入(ru)阻抗(kang)的前(qian)置放(fang)大器(qi)的阻(zu)抗交(jiao)換之(zhi)後，才(cai)能夠(gou)将借(jie)助于(yu)放大(da)檢波(bo)電路(lu)将傳(chuan)感器(qi)信号(hao)傳😄輸(shu)到顯(xian)示儀(yi)表或(huo)實現(xian)遠程(cheng)傳輸(shu)，這一(yi)過程(cheng)都是(shi)依據(ju)振動(dong)檢測(ce)的相(xiang)關原(yuan)理和(he)技術(shu)來完(wan)成的(de)。
4．2渦街(jie)流量(liang)計傳(chuan)感器(qi)
渦街(jie)流量(liang)計傳(chuan)感器(qi)采用(yong)壓電(dian)傳感(gan)器，該(gai)傳感(gan)器測(ce)量效(xiao)率高(gao)，可不(bu)用直(zhi)接接(jie)觸測(ce)量介(jie)質就(jiu)能實(shi)現流(liu)體測(ce)量，通(tong)常運(yun)用壓(ya)電元(yuan)件的(de)應力(li)檢測(ce)方法(fa)來進(jin)行振(zhen)動頻(pin)率的(de)測量(liang)，具體(ti)操作(zuo)過程(cheng)是🔞将(jiang)有漩(xuan)渦産(chan)生的(de)交替(ti)變化(hua)的壓(ya)❗力轉(zhuan)化爲(wei)壓電(dian)傳感(gan)器電(dian)荷信(xin)号，電(dian)荷信(xin)号的(de)變化(hua)頻率(lü)與旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率相(xiang)同，經(jing)過電(dian)子線(xian)路處(chu)🈲理後(hou)的交(jiao)變電(dian)荷轉(zhuan)化成(cheng)旋渦(wo)頻率(lü)，因旋(xuan)渦頻(pin)率與(yu)流體(ti)流量(liang)成正(zheng)相關(guan)性，由(you)此也(ye)就得(de)到🔅了(le)流體(ti)流量(liang)。利用(yong)壓電(dian)晶體(ti)元件(jian)進行(hang)旋渦(wo)分離(li)頻率(lü)的檢(jian)🧑🏽🤝🧑🏻測，在(zai)柱體(ti)後部(bu)兩側(ce)實現(xian)旋渦(wo)的交(jiao)替分(fen)離，從(cong)而促(cu)使壓(ya)力脈(mo)動的(de)産生(sheng)，經安(an)裝在(zai)主體(ti)候補(bu)尾流(liu)中順(shun)的⭐探(tan)頭檢(jian)測到(dao)交變(bian)力，并(bing)使得(de)位于(yu)探頭(tou)🔞内部(bu)🌂的壓(ya)電晶(jing)體元(yuan)件在(zai)交變(bian)力的(de)壓力(li)作用(yong)下産(chan)生變(bian)電荷(he)，交變(bian)電荷(he)信号(hao)在被(bei)檢測(ce)放大(da)器處(chu)理或(huo)數字(zi)信号(hao)處理(li)後，輸(shu)出頻(pin)率信(xin)号，或(huo)是轉(zhuan)化成(cheng)與流(liu)量成(cheng)比例(li)的4～20mA直(zhi)流标(biao)準信(xin)号輸(shu)出。
4．3渦(wo)街流(liu)量計(ji)放大(da)電路(lu)
渦街(jie)流量(liang)計中(zhong)傳感(gan)器所(suo)輸出(chu)的電(dian)壓信(xin)号，需(xu)要放(fang)大電(dian)路将(jiang)其放(fang)大并(bing)對信(xin)号進(jin)行處(chu)理，利(li)用振(zhen)動測(ce)量技(ji)✌️術的(de)測量(liang)電路(lu)🔴關鍵(jian)🧑🏾🤝🧑🏼在于(yu)前置(zhi)放大(da)器的(de)設置(zhi)🈲，其不(bu)僅能(neng)夠将(jiang)傳感(gan)器的(de)輸出(chu)信号(hao)從高(gao)阻抗(kang)變爲(wei)低阻(zu)抗，還(hai)能夠(gou)将傳(chuan)感器(qi)微弱(ruo)🧑🏽🤝🧑🏻的電(dian)信号(hao)進行(hang)放大(da)。前置(zhi)放大(da)電路(lu)可采(cai)用電(dian)壓放(fang)大器(qi)或🏃🏻是(shi)用帶(dai)電融(rong)🐅反饋(kui)的電(dian)荷放(fang)大器(qi)，本文(wen)采用(yong)⁉️電荷(he)放大(da)器作(zuo)🔞爲渦(wo)🐇街流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)換裝(zhuang)置，放(fang)大、濾(lü)波、整(zheng)✌️形後(hou)變成(cheng)頻率(lü)與流(liu)速成(cheng)正比(bi)的脈(mo)✔️沖信(xin)号，然(ran)後進(jin)行計(ji)💞數處(chu)理得(de)到流(liu)量信(xin)号，以(yi)此來(lai)提高(gao)渦街(jie)✌️流量(liang)計的(de)抗幹(gan)擾能(neng)力。
5結(jie)語
機(ji)械振(zhen)動是(shi)一種(zhong)常見(jian)的現(xian)象，其(qi)直接(jie)影響(xiang)着機(ji)器精(jing)度和(he)正常(chang)㊙️運轉(zhuan)，而通(tong)過機(ji)械振(zhen)動原(yuan)理發(fa)展而(er)來的(de)振動(dong)測量(liang)技術(shu)則是(shi)工業(ye)控制(zhi)和生(sheng)産中(zhong)的重(zhong)要内(nei)容之(zhi)⚽一，尤(you)其與(yu)渦街(jie)流量(liang)計✂️中(zhong)的振(zhen)動檢(jian)測原(yuan)理存(cun)在衆(zhong)多相(xiang)通處(chu)，爲振(zhen)動檢(jian)測技(ji)術在(zai)渦街(jie)流量(liang)計中(zhong)的應(ying)用提(ti)供了(le)可能(neng)性，由(you)此，本(ben)文針(zhen)對渦(wo)街流(liu)量✏️計(ji)中振(zhen)動檢(jian)測🌈技(ji)術的(de)應用(yong)具有(you)重要(yao)的理(li)論意(yi)義和(he)使用(yong)價值(zhi)，并能(neng)夠推(tui)動♍渦(wo)街流(liu)量計(ji)的不(bu)斷創(chuang)新發(fa)展提(ti)供相(xiang)關依(yi)據。
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