摘(zhai)要:采用壓(ya)電晶體傳(chuán)感器利用(yòng)卡門渦街(jie)原理，一種(zhǒng)氣體流量(liàng)計 的結構(gòu)，分别對氣(qi)體流量測(cè)量儀結構(gòu)的各個部(bù)分進❌行了(le)分析。并對(duì)壓電晶體(ti)産生的電(dian)荷信号進(jin)行🌂處理，分(fen)析和設計(ji)各個環🏃‍♂️節(jiē)的電路。該(gai)流量計所(suo)用檢測壓(ya)電元件不(bu)接觸氣體(ti)，适于惡劣(lie)環境、不易(yi)結垢，耐高(gao)溫、高壓、安(ān)全防爆，适(shì)用于測量(liàng)封閉管道(dào)的⚽氣體累(lèi)計流量和(hé)瞬時流量(liang)。
1氣體流量(liang)的測量方(fāng)法
國内儀(yí)表市場氣(qi)體流量計(jì)常見的主(zhǔ)要是以下(xia)幾類⛹🏻‍♀️：
（1）差壓(yā)式流量計(jì)
　　差壓式流(liú)量計 是以(yǐ)伯努利方(fang)程和流體(ti)連續性方(fāng)程爲依據(jù)，根據節流(liu)原理，當流(liu)體流經節(jiē)流件時(如(rú)标準孔闆(pan)、标準噴嘴(zui)🔴、長徑噴嘴(zui)、經典文丘(qiu)利嘴、文丘(qiū)利噴嘴等(deng))，在其前後(hou)産🔞生壓差(chà)，此差壓🐕值(zhi)與該流量(liang)的平方成(cheng)正比。隻要(yào)能把節流(liú)機構前後(hou)的壓差p1-p2取(qǔ)出來☀️，就可(ke)以測出流(liu)量。
（2）渦輪流(liu)量計
　　渦輪(lun)流量計 是(shi)比較正确(què)的一種流(liu)量檢測裝(zhuang)置。當流體(ti)流經渦㊙️輪(lún)流量傳感(gan)器時，在流(liú)體推力作(zuo)用下渦輪(lún)受力旋轉(zhuǎn)，其轉速與(yǔ)管道平均(jun)流速成正(zheng)比，渦輪流(liu)量計的🌈理(li)論流量方(fāng)程爲

　　式中(zhong)，nT爲渦輪轉(zhuǎn)速；qv爲體積(jī)流量；A爲流(liu)體物性(密(mi)度、粘度❗等(děng))，渦☎️輪㊙️結構(gòu)參數(渦輪(lún)傾角、渦輪(lun)直徑、流道(dào)截面㊙️積等(děng)🙇‍♀️)有關的參(can)數；B爲與渦(wo)輪頂隙、流(liú)體流速分(fen)布有☁️關的(de)系數；C爲與(yu)摩擦力矩(jǔ)有關的系(xì)數。
（3）渦街流(liu)量計
　　渦街(jie)流量計 主(zhǔ)要用于工(gong)業管道介(jiè)質流體的(de)流量測量(liang)，如氣體、液(yè)🈲體、蒸氣📐等(děng)多種介質(zhì)。其特點是(shi)壓力損失(shī)小，量程範(fan)圍大，精度(dù)高♋，在測量(liang)工況體積(jī)流量時幾(ji)乎不受流(liú)體密度、壓(ya)力、溫度、粘(zhān)♌度等參數(shù)的影響。無(wú)可動機械(xie)零件，因此(ci)可靠性高(gāo)，維護量小(xiǎo)，儀表參數(shù)能長期穩(wen)定。渦街流(liú)量計流量(liang)方✏️程可用(yòng)下式表示(shì)

　　式中，f爲旋(xuan)渦的釋放(fang)頻率；v爲流(liú)過旋渦發(fā)生體的流(liú)體🙇‍♀️平均速(su)💋度🈲；d爲旋渦(wo)發生體特(te)征寬度；St爲(wei)斯特羅哈(hā)數，無量綱(gang)，它的💘數值(zhí)範圍爲0.14－0.27。
（4）超(chāo)聲波流量(liang)計
　　超聲波(bo)流量計 由(you)超聲波換(huàn)能器、信号(hào)處理電路(lù)、單片機控(kòng)制系統3部(bù)分組成❗。在(zài)有氣體流(liu)動的管道(dao)中，超聲脈(mò)沖順流傳(chuan)播的速度(du)要比逆流(liu)時快。流過(guò)管道的氣(qi)體速度越(yue)快，超聲順(shùn)流和逆流(liu)傳播的時(shi)間差越大(dà)。分爲時差(chà)式(測量🏃🏻順(shun)流和逆㊙️流(liu)傳播的時(shí)間差)、相差(cha)式(測量順(shùn)流和逆流(liu)傳播的相(xiàng)位差)、頻差(chà)式(測🌈量順(shùn)流和逆🈲流(liu)傳播的循(xun)環頻率差(chà))、多普勒超(chāo)聲波流量(liàng)計(以物理(li)學中的多(duo)普勒效應(ying)爲工作原(yuán)理，适合于(yú)對兩相流(liu)的測量)。
（5）容(rong)積式流量(liàng)計
　　容積式(shì)流量計又(you)稱排量流(liu)量計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱(cheng)PD流量計或(huò)PDF，在流量儀(yí)表中🐉是精(jīng)度最高的(de)一類。它利(lì)用機械測(ce)量元件☎️把(bǎ)流體連續(xu)不斷地分(fen)割成單個(ge)已知的體(tǐ)積部分，根(gēn)據計量室(shi)逐次、重複(fu)地充滿和(he)排放該體(ti)積部分流(liu)體的次數(shu)來✂️測量流(liu)量體積總(zong)量。容積式(shì)流量計的(de)理論流量(liang)計算公式(shì)

　　式中，q爲工(gong)況下的體(tǐ)積流量，m3/s；n爲(wei)旋轉體的(de)流速，周/s；V爲(wei)☔旋轉體每(měi)轉一周所(suǒ)排流體的(de)體積，m3/周。
　　采(cǎi)用渦街流(liú)量計測量(liang)高溫氣體(ti)的流量，下(xia)面通過分(fèn)析氣體流(liú)量傳感器(qì)測量氣體(ti)的原理，設(she)計其結構(gou)部分，采用(yong)雙壓電晶(jīng)體🐆作爲傳(chuan)感技術，測(cè)量其頻率(lǜ)信号。
2渦街(jiē)流量計工(gong)作原理與(yǔ)結構設計(jì)
2.1工作原理(lǐ)
　　渦街流量(liàng)計是利用(yong)流體力學(xué)中卡門渦(wo)街原理制(zhì)⁉️作🏃‍♂️的一種(zhong)儀表，如圖(tu)1所示。

　　把一個非(fei)線性對稱(cheng)形狀的物(wù)體（如圓柱(zhù)體、三角柱(zhù)體、矩形柱(zhù)體✉️、六面柱(zhu)體等，以下(xià)簡稱漩渦(wō)發生體）垂(chuí)直插在管(guan)道中♌，流體(tǐ)繞過🐪漩渦(wō)發生體時(shi)，出現了附(fu)面層分☂️離(li)，在漩渦發(fa)生體左右(you)🆚兩側的後(hòu)方會産生(shēng)漩渦，形成(chéng)渦列。
　　由于(yu)漩渦之間(jian)相互影響(xiǎng)，漩渦列一(yī)般是不穩(wěn)定的，但卡(ka)門從👌理論(lùn)上證明了(le)當兩漩渦(wo)列之間的(de)距離h與同(tóng)列的2個漩(xuán)☔渦之間的(de)🙇🏻距離L滿足(zú)公式h/L=0.281時，非(fēi)對稱的漩(xuan)渦列就能(néng)保持穩定(ding)。此時漩渦(wō)的頻率f與(yǔ)流體的流(liu)速及漩渦(wo)發生體的(de)寬度🈚d有下(xia)述關系

式(shì)中
v1———柱體兩(liǎng)側處的流(liu)速(m/s)；
d———柱體迎(yíng)流面最大(dà)寬度(m)；
Sr———無量(liang)綱數，在柱(zhu)體形狀确(que)定後，在一(yī)定的雷諾(nuò)數範圍👅内(nei)💜爲常🏒數，稱(chēng)爲斯特勞(láo)哈爾(Strouhal)數。
根(gēn)據流動的(de)連續性，可(ke)知

式中
S1———柱(zhu)體兩側流(liu)通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流(liu)通面積(m2)；
v———管(guan)道内流體(ti)的平均流(liu)速(m/s)。
設流通(tong)面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認(rèn)爲n=1-1.25d/D），則

2.2結構(gou)設計
　　氣體(tǐ)流量計由(yóu)傳感器和(hé)轉換器2部(bù)分組成，如(rú)圖2所示。

　　圖中傳感(gǎn)器包括旋(xuan)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jiǎn)測元件、儀(yi)表表體等(deng)；轉換器包(bāo)括前置放(fàng)大器、濾波(bo)整形電路(lù)、D/A轉換電路(lù)、輸出接口(kǒu)電路、端子(zǐ)、支架和防(fang)護罩等。旋(xuán)渦發生體(ti)是檢測器(qì)的主要部(bu)件，它與🐪儀(yí)表的流量(liang)👌特性(儀表(biǎo)系數、線性(xing)♋度、範圍度(du)等)和阻力(lì)特性(壓力(lì)損失)密切(qie)相關，應選(xuan)用優良的(de)材料，并使(shǐ)之具有良(liáng)🌍好的機械(xie)性能和抗(kàng)腐蝕性能(neng)。
　　氣體流量(liang)計采用壓(yā)電元件作(zuo)爲檢測元(yuan)件。采用第(di)💰一🆚種檢測(cè)方式。檢測(cè)元件密封(fēng)安裝在發(fa)生體内部(bu)✔️，不接觸被(bèi)💃🏻測氣體。
3壓(ya)電晶體測(ce)量原理
3.1壓(ya)電傳感器(qì)的結構形(xíng)式
　　在壓電(diàn)傳感器中(zhong)，常采用2片(pian)或2片以上(shàng)的壓電材(cai)料組合一(yi)起⭐使㊙️用的(de)2種不同結(jié)構形式。一(yi)是2片壓電(dian)片✍️負極都(dou)集中于中(zhōng)間電極上(shàng)，而正極分(fen)别在上下(xià)2面電極上(shang)的并聯連(lian)接形式。此(cǐ)時，輸出電(dian)容Ca'=nCa（n爲并聯(lian)壓電材料(liao)片數，Ca爲單(dan)片🏃🏻電容）；輸(shu)出電壓Ua'=nUa（Ua爲(wei)單片的電(diàn)壓）；輸出電(diàn)荷Q'=nQ（Q爲單片(pian)電荷）；二🔱是(shì)各單片壓(ya)🔞電元件正(zheng)負極性順(shùn)序相連接(jiē)的串聯連(lián)接方式。此(cǐ)時，輸出電(dian)荷Q'=Q（Q爲單片(pian)電荷）；輸出(chū)電壓U'a=nUa(Ua爲各(gè)片的電壓(yā))；輸出電容(róng)C'=Ca/n（Ca爲單片電(dian)容）。顯然，并(bing)聯接法的(de)輸出電荷(hé)量大，本身(shen)的電容也(yě)大。因此，其(qi)時間常數(shù)大（τ=CaR），适宜于(yu)測量緩慢(màn)變化的信(xin)号，并且還(hái)适用于以(yǐ)電荷爲輸(shū)出量的場(chang)合。
3.2壓電傳(chuán)感器的測(ce)量電路
　　由(you)于壓電傳(chuan)感器的内(nei)阻抗很高(gāo)、輸出電信(xìn)号很弱，一(yī)般需将電(dian)信号經高(gao)輸入阻抗(kang)的前置放(fàng)大器放大(da)再🌈進行傳(chuan)輸、處理和(he)測量。前置(zhi)放大器的(de)主要作用(yong)是将壓電(dian)信号經過(guò)前置放大(dà)器的⛹🏻‍♀️阻抗(kàng)變換成低(di)阻抗輸出(chū)，也起到放(fang)大弱信🌂号(hào)的作用。壓(yā)電傳感器(qi)的輸出信(xin)号經過前(qian)置放大器(qi)的阻抗變(biàn)換和放大(dà)後，就可以(yǐ)采用一般(ban)的放大、檢(jiǎn)波指示或(huo)通過功率(lǜ)放大至紀(jì)錄和數據(jù)處理設備(bèi)。
　　按照壓電(diàn)式傳感器(qi)的工作原(yuán)理及其等(deng)效電路，傳(chuan)感器可堪(kān)稱電壓發(fā)生器，也可(kě)以看作是(shì)電荷發生(shēng)器。因此前(qián)置放大器(qì)也有2種形(xing)式：一種是(shì)電壓放大(da)器，一般稱(cheng)作阻抗變(biàn)換器，其輸(shu)出電壓與(yu)輸入電壓(ya)成比例；另(lìng)一種是電(dian)荷放大器(qi)，其輸出電(dian)🐕壓與輸入(ru)🏃🏻電荷成比(bǐ)例❌。
4結語
　　當(dāng)前國内外(wai)幾種流量(liang)計應用的(de)基礎上，采(cai)取渦街流(liú)💜量計測量(liàng)流量的原(yuan)理測量高(gāo)溫氣體的(de)流量。針對(dui)壓電傳感(gan)器進行分(fen)析，利用壓(ya)電晶體進(jìn)行測量👄的(de)原理，并對(dui)其壓電傳(chuan)感器的結(jie)構形式進(jin)行分析。

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