摘要:針對(duì)渦街流量計(ji)
抗幹擾性能(néng)差.量程窄的(de)問題，研制了(le)一種抗幹擾(rǎo)性能優的通(tong)用渦街流量(liàng)傳感器,從渦(wo)街信号的源(yuan)👅頭加以改進(jin)，提高了渦街(jiē)信号的信噪(zào)比和靈敏度(dù);并對渦街流(liú)量傳感器輸(shū)出信号的過(guò)程導線及初(chū)級信号處理(li)電路的信号(hào)屏蔽和保護(hù)措💃🏻施加以改(gǎi)♻️進;研制的樣(yang)🛀🏻機經氣體流(liú)量标準裝置(zhì)等設備測試(shì)驗證,不僅能(néng)⭕抵抗1.5g以下的(de)機械振動幹(gan)擾,而且實現(xian)了大于20:1的寬(kuān)量程比性能(néng)💚。
0引言
渦街流(liú)量計是20世紀(jì)70年代才發展(zhan)起來的一種(zhǒng)新型的🌈流量(liang)儀表，因其有(yǒu)許多優點，吸(xī)引了國内外(wài)衆多研究者(zhě)和企業的關(guān)注，目前已發(fa)展成爲主流(liu)流量儀表之(zhi)一，但因😄起步(bù)晚、經驗不足(zú)，目前存在的(de)主要問題是(shì)量程不寬(10:1左(zuo)右)、抗幹擾性(xing)能差等不足(zú)，因此♋對它的(de)研究💁還在不(bú)斷地進行，研(yan)究者✂️從許多(duō)方面對其進(jin)行了深🈲人的(de)研究:①旋渦發(fa)生體的研究(jiu)葉;②壓電傳感(gǎn)器探頭位♌置(zhi)的研究一氣(qi);③數字信号處(chu)理方法的研(yan)究;，④渦街信号(hào)檢測方法的(de)研究121);⑤數值仿(páng)真方法的研(yan)究。
上述研究(jiū)方向多是的(de)發生體結構(gòu)、傳感器安裝(zhuang)位㊙️置👨❤️👨或是在(zài)渦街電信号(hao)的處理後期(qi)階段的方法(fa)研究，而對渦(wō)街電📧信号産(chan)生的源頭即(jí)渦街流量傳(chuan)感器本身及(ji)其輸出原始(shi)⚽信号的✨保護(hù)方面研究很(hěn)少;渦街流量(liàng)傳感器是渦(wō)街流量計的(de)最核✨心部件(jiàn)，它📞的性能好(hao)壞直接決定(ding)了渦街流量(liang)計的性能，而(er)在👣此處的研(yán)究和方法是(shì)有效提升抗(kàng)幹擾性能🥰擴(kuo)展量程的關(guan)鍵點。
将工作(zuo)重點就放在(zài)這個關鍵點(dian)上,即在壓電(dian)傳感産生信(xin)号的源頭在(zài)抗振動和屏(ping)蔽方面加以(yi)改進，一種抗(kàng)幹擾性能好(hao)、輸出壓電信(xin)号信噪比強(qiang)的壓電式通(tōng)♻️用渦街流量(liàng)傳感器叫(簡(jian)稱壓電傳感(gǎn)器),如何提高(gao)傳感器原始(shǐ)信号及其初(chu)級信号處理(li)電路♻️的信号(hào)屏蔽保護措(cuo)施。
1渦街流量(liang)計工作原理(lǐ)
如圖1所示，管(guǎn)道中垂直插(chā)人一個三角(jiǎo)形柱狀的旋(xuán)㊙️渦發生體，随(sui)着流體流動(dòng)，當管道雷諾(nuò)數達到一定(ding)值時，在旋渦(wo)發生體兩側(ce)會交替地産(chǎn)生有規則的(de)旋渦，這種旋(xuán)渦稱爲卡🌍門(mén)渦街。
設旋渦發(fa)生頻率爲f，旋(xuán)渦發生體迎(yíng)流面寬度爲(wei)d,表體🌈通徑爲(wèi)D,根據卡門渦(wo)街工作原理(lǐ)，可知:
f=SrU/d(1)
式中:f爲(wèi)旋渦頻率;Sr爲(wei)斯特勞哈爾(er)數;U爲旋渦發(fā)生體兩側平(ping)均流😄速;d爲旋(xuan)渦發生體迎(yíng)流面寬度。
流(liu)體産生的這(zhe)一漩渦周期(qī)性的脫落引(yin)起對三角柱(zhù)和🈲渦街♻️傳感(gan)器探頭周期(qī)性的作用力(li)。根據熱力學(xué)第一第二定(dìng)律和庫塔🙇♀️儒(rú)科夫斯基升(shēng)力定理01,設作(zuo)用在旋渦發(fā)生體上的升(shēng)力爲FL有:
式中(zhong):CL爲升力系數(shù);p爲流體密度(dù);U爲流體流速(sù);A爲特征面積(jī)，即升力作用(yòng)面積。由于交(jiao)替地作用在(zài)發生體上升(shēng)力的👌頻率就(jiu)是旋渦的脫(tuo)落頻率，通過(guò)壓電傳感器(qì)的🐅探頭扁尾(wei)對FL升力及其(qi)變化頻率的(de)傳感和⛱️檢測(cè)，即可得到f，再(zai)由式
(1)可得流(liu)體的流速和(hé)體積流量。
從(cóng)式(1)、(2)可以看出(chu)如何提高渦(wo)街流量計的(de)抗振動性能(néng)和擴展量程(cheng)比，關鍵看壓(yā)電式渦街傳(chuán)感器的探頭(tou)對F升力檢測(ce)的能力。是📧在(zai)改進壓電式(shì)渦街流量傳(chuan)感器及其相(xiàng)關技術來提(tí)高傳感器的(de)測量小流量(liang)的信噪比和(he)靈敏度。
2拓展(zhǎn)量程的研究(jiu)方案和技改(gai)
2.1提高抗振動(dong)性能的研究(jiū)和實現
由于(yu)流量計與管(guan)道法蘭式剛(gāng)性連接，且流(liu)量計上壓電(dian)式渦街流量(liang)傳感器探頭(tou)也是與表體(ti)剛性連接，管(guǎn)道的振動會(hui)直接傳導到(dào)壓電傳感器(qì)探頭上，産生(shēng)和流量信😍号(hao)相同機理的(de)♋振動幹擾信(xin)号;另外，振動(dòng)也會導緻壓(yā)電傳感器的(de)導線、導線端(duan)子與電路連(lian)接觸電等部(bù)位的振動，有(you)可能通過某(mǒu)種機電🔞傳感(gǎn)機理，轉♌換爲(wèi)電噪聲。所以(yi)‼️研究渦街傳(chuan)感🏒器自🐅身的(de)結構,提升自(zi)身抗振🈲動性(xìng)能是提高渦(wō)街流量計抗(kàng)振動幹擾性(xing)能🛀的有效方(fāng)法。若等到振(zhèn)動幹擾信号(hào)都疊加在流(liu)量型🌂号上了(le)，再去想盡各(gè)種辦法🍓去剔(tī)除幹擾信号(hao)，即不經濟，也(yě)不理想。
爲此(ci)，采用了壓電(dian)傳感器與旋(xuan)渦發生體(三(sān)角柱)分離型(xíng)的結構方案(àn)，即研制了種(zhong)小尺寸懸臂(bì)梁凹結構的(de)😘壓電✍️式通用(yong)渦街流量傳(chuan)感器(簡稱壓(yā)電傳感🌏器),壓(yā)電傳感器結(jié)構如圖2所示(shì)，由安裝法蘭(lán)盤、探頭扁尾(wei)、壓電元件、铠(kǎi)裝導線、密封(fēng)罩、接線端子(zǐ)等組成。壓電(diàn)傳感器通過(guò)中部的安裝(zhuang)法蘭盤與流(liú)量計殼體固(gu)定，下部⭐的懸(xuan)臂梁置于旋(xuan)渦發生體内(nei)的孔洞中，壓(yā)電傳感器的(de)♈探頭扁尾通(tōng)過發生體兩(liǎng)側的側♻️孔獲(huo)取旋渦升力(li)作用。并傳感(gǎn)出相應的📱渦(wo)街流量🚶♀️信号(hào)。在懸臂梁内(nei)部，壓電元件(jiàn)機械封裝在(zài)探頭内❄️空腔(qiang)中，空餘空腔(qiāng)則無其它填(tián)充物。壓電元(yuan)件通過剛性(xìng)結構的铠裝(zhuang)導線将信号(hào)輸出到外部(bù)的接線🤩端子(zǐ)上，再通過接(jiē)線端子将信(xìn)号輸出到外(wai)部信号處理(li)電路進行處(chù)理。當管道流(liu)體因漩渦發(fā)生體産生渦(wo)街後，伴随産(chǎn)生的交變升(sheng)力F,作用在懸(xuán)臂梁下部的(de)探頭扁尾上(shang)，懸臂梁産生(sheng)變形并迫使(shǐ)内部的壓電(dian)元件也同步(bù)變形，從🙇🏻而産(chan)生出與交變(bian)升力對應的(de)電荷,通過後(hou)續的一系列(lie)信号處理電(dian)💛路，最終🧡獲得(de)流量信息。
提(ti)高抗振動性(xing)能的設計方(fang)案及其分析(xi):
(1)傳感器懸臂(bì)梁的探頭部(bu)分按現有工(gōng)藝和技術設(shè)計爲較小的(de)外徑d和盡量(liang)短的長度L,并(bìng)且探頭内空(kōng)腔采用抽♋真(zhen)空無填充物(wù)封裝結構，這(zhe)樣的結構保(bao)證了該探頭(tóu)懸臂梁的質(zhì)量最🌈小，設其(qi)🧡等效重心爲(wei)G點,質量爲mc質(zhì)點至支🏃撐點(dian)距離爲L2管道(dào)振動加速度(dù)爲a,振動加速(su)🧑🏾🤝🧑🏼度垂直于探(tàn)頭軸線方向(xiang)的分量爲α2,則(ze)管道振動幹(gan)擾對懸臂梁(liáng)的彎矩Mc公式(shi)爲:
Mg=mGa2L2(3)
由公式(3)可(ke)知，由于懸臂(bi)梁質量的客(ke)觀存在,所以(yi)振🈲動産生㊙️的(de)🌂幹擾彎矩必(bì)然存在，但可(kě)以減小懸臂(bi)梁質量和等(děng)效重❤️心的力(lì)臂L2長度，在振(zhen)動幹擾強度(du)不變的情況(kuàng)下，mc越✊輕,作用(yong)力臂L2越小,振(zhèn)動幹擾産生(sheng)的彎矩Mc就越(yue)小。
(2)如圖1所示(shi)，傳感器探頭(tóu)插人在發生(shēng)體内的孔洞(dòng)中，僅⁉️通過發(fā)生體兩側的(de)導壓孔傳導(dao)出旋渦升力(lì)作用于探頭(tóu)扁尾💞，其他部(bù)位⛹🏻♀️不受力;如(ru)圖2所示，設旋(xuán)渦升力的🚶作(zuò)用力臂爲L，旋(xuán)渦升力作用(yong)點爲B,作用力(li)爲Fe1,此時傳感(gǎn)器僅B點受旋(xuán)渦升力作用(yòng)，升力産生的(de)彎🔞矩Mfea公式爲(wèi):
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知(zhi)，此時的力臂(bi)L1最大，彎矩Mfel也(ye)最大，此時壓(yā)電傳感器輸(shu)🏃出的信号也(yě)最強。
(3)傳感器(qi)内部信号導(dǎo)線采用剛性(xing)結構的铠裝(zhuāng)導線❓，該結構(gou)可保證在機(ji)械振動傳感(gǎn)器導線不彎(wan)曲和不抖動(dòng)，導線部☁️分所(suǒ)等效的傳感(gan)器電容值也(ye)會固定不變(biàn)，減少了因振(zhèn)動🌈源引起的(de)電噪🏃♀️聲的産(chan)生。
以上分析(xi)說明，該壓電(diàn)式渦街流量(liàng)傳感器感應(ying)旋㊙️渦升力性(xìng)能強，受管道(dao)振動影響弱(ruò)。從根本上提(ti)高了測量小(xiǎo)流量的靈敏(mǐn)度。
2.2提升抗電(diàn)磁幹擾性能(néng)的研究和實(shí)現
壓電式渦(wo)街流量傳感(gan)器在工作時(shí)輸出的電荷(hé)信号很💞弱，電(diàn)壓峰峰爲毫(hao)伏級，并且工(gong)作在非諧振(zhen)狀💚态，極易受(shou)空間中的電(dian)磁幹擾後衰(shuāi)減，所以傳感(gǎn)器⛹🏻♀️的制作🛀🏻既(ji)要保證它很(hěn)高的輸人阻(zǔ)抗，同時還需(xu)有良好的屏(ping)蔽和接地要(yao)求，以防❌止漏(lou)電流引起的(de)電荷信号衰(shuai)減和電磁幹(gàn)擾⭐進人電荷(he)放💘大器的輸(shū)人端。爲此，研(yan)制的🐕這種通(tōng)用渦街流量(liàng)傳感器及⛹🏻♀️其(qi)信号處理電(dian)路采用🈲了如(ru)下的屏蔽工(gong)藝等技術方(fang)法:
(1)傳感器探(tàn)頭體内的元(yuán)件封裝采用(yòng)無任何填充(chong)料的結構,并(bing)且采用高溫(wēn)加熱和抽真(zhēn)空狀态下對(duì)傳感器進行(háng)氩弧焊接封(feng)裝，該傳感器(qì)具有常溫下(xià)104MΩ以上絕緣阻(zu)抗和🤞300℃高溫下(xia)🔴100MΩ絕緣阻抗。
(2)傳(chuan)感器輸出導(dǎo)線采用硬質(zhì)純鎳質内芯(xin)的金屬铠裝(zhuāng)🌍線結構，傳🌈感(gan)器自身的屏(píng)蔽效果最好(hǎo);
(3)傳感器探頭(tou)内成安裝的(de)對壓電元件(jiàn)采用差動信(xin)号輸出接線(xian)方式，并且其(qi)中一極與傳(chuan)感器的金屬(shǔ)外殼可靠接(jie)地;
(4)傳感器末(mò)端導線接線(xian)端與電荷放(fang)大輸入電路(lù)連接部分也(ye)全部采用剛(gāng)性金屬屏蔽(bì)單防護工藝(yi);
(5)信号處理電(diàn)路中将初級(ji)電荷放大電(dian)路和二二級(ji)放大濾波電(diàn)路設計成獨(du)立的電路模(mó)塊并且也封(feng)閉安裝在一(yī)個金屬屏蔽(bì)罩内與其他(ta)電路特别是(shi)數字電路隔(ge)離開來，防✨止(zhǐ)了後🔅級數字(zi)電路及其他(tā)📐空間電磁場(chang)的幹擾✔️。傳感(gǎn)器及其初級(ji)信㊙️号處理電(dian)路的結構圖(tu)如圖3所示。
屏(ping)蔽可以用控(kòng)制電場或磁(ci)場從空間的(de)一個或到另(ling)😘一個區或的(de)傳播，這是克(ke)服電場耦合(hé)幹擾、磁場耦(ou)合幹擾以及(jí)電磁輻射幹(gàn)擾的最有效(xiao)手段啊。屏蔽(bi)的目的是利(lì)用導電👈材料(liao)或高導磁率(lü)材料來減小(xiao)磁場、電❄️場或(huò)電磁場的強(qiáng)度㊙️。屏蔽可以(yǐ)應用于噪聲(sheng)源，通過用屏(píng)蔽材料把幹(gan)擾源包圍起(qi)來以減弱幹(gan)擾磁場的強(qiáng)度，屏蔽也可(ke)以🥰應用于需(xū)要抑制噪聲(sheng)的敏感元件(jian)和檢測電路(lù),通過用屏蔽(bi)材料把敏感(gǎn)元件和電路(lu)包圍起來以(yi)減弱電路附(fu)🐆近的場強。屏(ping)蔽的範圍可(ke)以是電纜、個(gè)别器件、部分(fen)電路或整♍個(ge)電路系統。總(zong)之屏蔽對❄️于(yu)削弱或切斷(duan)🈲電場、磁場與(yu)電磁輻射三(sān)種幹擾耦合(hé)方式都是行(háng)之有效的。
3樣(yang)機測試
根據(ju).上述研究和(he)技改方案，制(zhi)作了DN150、DN200和DN250三種(zhong)大口徑各10台(tai)樣機，三🔱種樣(yang)機在50Hz、1.5g機械振(zhèn)動條件下測(ce)試,輸出信号(hào)頻率爲零,樣(yàng)機在标準表(biao)法氣體流量(liang)标準裝置上(shang)用💞常溫常🧑🏽🤝🧑🏻壓(yā)下空氣流量(liang)标定，量程比(bi)達到20:1以上，1.0級(ji)精度合格。其(qi)中🌈DN150口徑一台(tái)樣機的測試(shì)數據如下表(biao)2,最小流速測(cè)到了2m/s,量💋程比(bǐ)擴展到30:1。
4結束(shù)語.
機械振動(dòng)幹擾和電磁(ci)幹擾時對渦(wō)街流量計性(xing)能影響的主(zhǔ)要✍️因素，直接(jie)限制了量程(cheng)下限，影響了(le)渦街流量計(jì)在低流速、小(xiǎo)流量時的計(jì)量性能。通過(guò)從渦街信号(hao)産生👅的源頭(tou)做起，研制了(le)一種抗幹擾(rao)性能好的通(tong)用型渦街流(liú)量傳感器，以(yi)及對禍街信(xìn)号第一級傳(chuán)輸✌️導線和前(qian)置放大處理(lǐ)電路等的可(kě)靠屏蔽保護(hù)改進措施的(de)兩項研究和(hé)實現，研制的(de)DN150口徑樣機在(zài)氣體流量标(biao)準裝置上常(chang)溫常壓空氣(qi)标☂️定量程範(fàn)圍超過20:1,可測(ce)最大流量達(da)到4100m3/h(60m/s),最小流速(sù)已測到2m/s,實現(xian)了寬量程性(xing)🧡能;
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