摘要：針對(dui)渦街流量計 抗(kang)幹擾性能差的(de)缺點,設計了一(yi)種新的傳感器(qì)結🏒構一一☂️懸浮(fu)式差動傳感器(qi),使流量計一次(cì)儀表輸出信🙇🏻号(hao)的信噪比大‼️大(da)提✂️高.實驗結果(guo)表明,采用此種(zhong)傳感器結構的(de)渦街流量計的(de)抗千擾性能得(de)到顯著改善.
　　渦(wo)街流量計是利(lì)用旋渦脫離誘(you)發流體振動的(de)原理實⁉️現流量(liang)的計量,其主要(yao)特點是:無運動(dong)部件，因🎯此不🌐必(bì)考慮流體中雜(za)質對流量計的(de)物理損害,從而(er)極大🥰地拓展❓了(le)精密❄️流量計的(de)應用🧑🏽‍🤝‍🧑🏻範圍,并有(you)良好的線性度(dù)、較大的量程和(hé)很強的介質适(shi)應性,可用于不(bú)同流體的穩态(tài)和瞬态流量的(de)計量.此外，它💛還(hái)有具有壓力⭐損(sǔn)失小、可靠性高(gāo)、維護方便和不(bú)受🏒流體組成、密(mi)度、溫度、壓力影(ying)響等優點,是測(cè)量氣體、液體、蒸(zheng)汽、混合型和腐(fu)蝕性流體.的理(li)想的流量計.
　　但(dàn)是,渦街流量計(ji)存在兩大缺陷(xian):(1)小流量信噪比(bi)低;(2)抗幹擾性能(neng)差.其中抗幹擾(rao)性能是衡量一(yi)台工業渦街流(liu)量計應用好❄️壞(huài)的🔱一個重要指(zhǐ)标.目前很多♻️工(gong)業用戶之所以(yi)對渦☔街流量計(jì)的應😄用失去信(xìn)心🔴，是因爲在實(shi)際應用🈲中,工業(ye)振動是普遍存(cun)在的;而一般的(de)工業🈲振動頻率(lü)大都在幾赫茲(zī)到幾千赫茲👨‍❤️‍👨之(zhi)間,渦街流量計(ji)的旋渦分離頻(pín)率正好落在💔這(zhè)個範圍之内..
　　近(jin)10年來,針對以上(shàng)問題國内外學(xué)者做了大量的(de)研究🏒,并且大部(bu)分研究主要是(shì)從信号處理的(de)角度出發.如采(cǎi)用自适應譜分(fen)析方法對渦街(jie)信号進行處理(li)以提高渦街流(liu)量計的抗噪能(néng)力川,又如根據(jù)實驗數據對渦(wo)街流量産生的(de)信号建立數㊙️學(xue)模型将譜預測(ce)的方法運用到(dao)渦街流量計上(shàng)🙇🏻,用以提高渦街(jie)流量計的抗幹(gàn)擾性能,使計🌈量(liàng)精度和可靠👣性(xìng)得到提高.除📐通(tōng)過信号處理的(de)技術外，人們還(hái)從傳感器方面(mian)尋找改善渦❄️街(jie)流量計性能的(de)思路，如通過改(gai)進壓電傳感器(qi)達到減弱管🈲道(dao)振動對渦街流(liu)量🔆計影響的目(mù)的.
1懸浮式差動(dong)傳感器的設計(jì)
1.1流量傳感器幹(gàn)擾噪聲分析
　　渦(wo)街流量計是根(gēn)據卡門旋渦頻(pín)率實現流量測(ce)量💜的💔流量計.在(zài)具有旋渦發生(sheng)體的流場中,當(dāng)兩旋渦列之間(jiān)的距離h與同列(liè)的兩旋渦之間(jian)的距離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時,形成卡門(men)渦街如圖1所示(shi).大量實驗證明(ming):在一-定的雷諾(nuo)數範圍内,穩定(dìng)的旋渦發生頻(pín)率ƒ與旋渦發生(shēng)體側流速u與旋(xuan)渦發生體的柱(zhu)寬d有如下确🈲定(ding)的關系:ƒ=(u/d)St.式中St爲(wèi)斯特勞哈爾❄️數(shù)(無綱量),對于一(yī)定形狀的旋渦(wō)發生🔴體,在一-定(ding)的雷諾數範圍(wéi)内是一☁️個常數(shu).由于流體流量(liàng)與其流速之間(jiān)✔️存在線性關系(xi),所以通過測量(liang)旋渦發生引起(qǐ)的流體振動🌈頻(pín)率，即可實現對(duì)流體流量的測(cè)量.
 
　　由渦街流量(liàng)計的工作原理(lǐ)可見，渦街流量(liàng)計是利用流❓體(ti)自身振動實現(xiàn)流體的測量的(de).而待測系統中(zhong)存在的壓力脈(mò)動或外界的振(zhèn)動源和噪聲源(yuán)也會引起🈲待測(cè)系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼統中流體的(de)振動,這些外來(lai)的振動信号，或(huo)改變旋渦振動(dong)頻率，或直接進(jin)人二次儀表,造(zao)成計量誤差.理(lǐ)想情況下，渦街(jie)流量計輸出正(zheng)弦🙇🏻波信号,但實(shí)際上由于流體(ti)流🤩動噪聲、機械(xie)振動噪聲等千(qiān)擾㊙️的影響,它遠(yuǎn)非理想的正弦(xián)波信号，而是一(yī)個混有強噪聲(sheng)的🐉混合信号。
1.2懸(xuán)浮式差動傳感(gǎn)器的結構
　　在渦(wo)街流量計中,懸(xuan)浮差動式流量(liàng)傳感器的安裝(zhuang)如圖2所示,傳💜感(gan)器B安裝在旋渦(wō)發生體A的後面(miàn).傳感🈲器的軸線(xiàn)與旋渦發🔞生體(ti)平行,整個傳感(gǎn)器都沉浸在流(liú)體中[5].圖中💃的懸(xuan)浮式差動傳感(gan)器在設計中使(shǐ)🏃🏻用了4個壓🙇‍♀️電晶(jīng)體作爲檢測元(yuan)件，在平闆🏃‍♂️兩側(cè)對稱固定了兩(liang)個檢測單元，以(yǐ)😄形成差動結構(gou).每個檢測🧡單元(yuán)外形爲😘一個半(ban)圓柱型殼⭕體，殼(ke)體内具有與平(píng)闆軸線平行的(de)通孔,通孔内有(yǒu)兩個尺寸、質量(liàng)和靈敏度系數(shù)都相同的❌壓電(dian)陶瓷片，兩壓🐅電(dian)陶瓷片之⭕間由(you)一金屬質量塊(kuài)相連,該質💋量塊(kuài)與兩壓電陶瓷(ci)♻️片焊接在一起(qi)組成一個✨剛體(tǐ).金屬質量塊同(tóng)時也作爲壓電(dian)陶瓷的輸出電(diàn)極,引出檢測信(xin)号給電荷放大(da)電路.兩片壓電(dian)晶體采用并聯(lian)式結構,如圖3所(suo)🥵示,使輸出電荷(he)量加倍,以達到(dào)增大渦街流量(liàng)信号🐕的目的.
 
　　每(měi)個檢測單元的(de)_上”下兩個壓電(diàn)陶瓷片在安裝(zhuāng)時必須具有相(xiàng)等的受壓預緊(jǐn)力，以保證由兩(liang)個壓電陶瓷片(piàn)與金屬質量🌈塊(kuai)形成的剛體中(zhōng)會形成一個内(nei)應力分界面🙇🏻.由(you)于金屬質量塊(kuai)具有一定的厚(hòu)度❗，所以内應力(li)分界面一定會(huì)在金屬質量塊(kuài)的内部⭐,而兩個(gè)壓電👈陶瓷片又(yòu)是嚴格對稱匹(pi)配的，因此,可以(yǐ)在結構上保✍️證(zheng)在受到相等的(de)力的作用時,這(zhè)兩個壓電陶瓷(cí)片能夠産生相(xiang)等的電荷.
1.3懸浮(fu)式差動傳感器(qì)的抗幹擾工作(zuò)原理
1.3.1懸浮式結(jie)構對振動幹擾(rǎo)的抑制
　　懸浮式(shi)結構對于流場(chang)中的振動幹擾(rǎo)噪聲可以實現(xian)有效☁️的抑制.管(guǎn)道在外界幹擾(rǎo)作用下産生的(de)振動總是可以(yǐ)分解爲如圖🌐4所(suo)示的三個方向(xiàng)，即方向🤞a----與旋渦(wo)升力方㊙️向相同(tong)、方向b----與流體流(liu)動方向垂直、方(fāng)向c--與流體流動(dòng)方向平行.根🔞據(ju)懸浮式差動傳(chuán)感器結構與安(an)裝方式，可知方(fang)向b與方向c上的(de)振動幹📧擾不會(hui)産生噪聲信号(hào),隻有方向a的振(zhen)動幹擾可引起(qi)傳感器殼體的(de)跟随振🌏動.此時(shi),由于傳感器中(zhong)金屬🈲質量塊的(de)慣性作用，檢測(cè)單元中上下☁️對(duì)稱的兩個壓電(diàn)陶瓷片會分别(bie)受到壓力和拉(lā)力的作🌂用,這使(shǐ)得兩個壓電陶(táo)瓷片分别産生(shēng)極性相反的正(zhèng)負電荷信号.由(you)于兩個壓電♈陶(táo)瓷片采用并聯(lian)結構,所以當上(shang)下兩個壓電陶(tao)瓷🌈片的信号在(zai)金屬質量塊中(zhōng)相加時🌈,幹擾信(xin)号所産生的電(diàn)荷信号會相互(hu)抵消,傳感器起(qi)到了自減振的(de)作用,從而極大(da)地削弱📧了此方(fang)向的幹擾信号(hao).
 
1.3.2差動式結構對(duì)振動幹擾的抑(yi)制
　　如圖3所示，當(dang)旋渦流經傳感(gǎn)器時，旋渦産生(shēng)的交變壓力作(zuò)用在兩個檢測(cè)單元的彈性膜(mo)片上,使兩側的(de)壓電陶瓷片交(jiao)替産生電荷.兩(liang)個檢測單元會(huì)輸出帶有噪聲(sheng)的正弦信号Si與(yǔ)S2,如🌈圖5所示.由于(yu)兩個檢測單元(yuán)的對稱性,使得(de)St與S2信号中所含(hán)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻渦街流量🔴信(xìn)号的幅值與頻(pin)率相同、相位相(xiàng)差180°;又🚩因爲管道(dao)振🤞動、流場脈動(dong)🌈等引起的幹擾(rǎo)振動對兩側的(de)壓電陶瓷片的(de)作用是一緻的(de),所以S1與S2信号中(zhōng)所含幹擾信号(hào)爲幅值、頻率與(yǔ)相位都相同的(de)共模信号.在采(cǎi)用差動式電荷(hé)放大前置放大(da)電🏃🏻路中,輸出信(xin)号隻含有差模(mó)信号S1-S2,從而有效(xiào)地🧑🏾‍🤝‍🧑🏼抑制了振動(dòng)幹👅擾.
 
2實驗結果(guo)
　　圖6與圖7分别爲(wei)傳統渦街流量(liang)計與使用了懸(xuan)浮式差🥰動傳感(gan)器的渦街流量(liàng)計在管道受到(dao)外力敲擊時的(de)渦街流量信号(hào)(該信号爲經差(chà)動放大後的信(xìn)🆚号).由圖6可見,傳(chuan)統渦街流量計(ji)📱對振動非常敏(mǐn)感，渦街流量信(xin)号中疊加了很(hen)強的🌐幹擾信号(hào).而在使用🙇‍♀️了懸(xuán)浮式差動傳感(gǎn)器的渦街流量(liàng)計中,管道受到(dao)敲擊時的幹擾(rao)被大大削弱,在(zài)經差動放大後(hòu)幾乎沒有幹擾(rǎo)🛀信号.
 
結論
　　爲了(le)使渦街流量計(jì)能夠測量低流(liu)速、小流量的信(xìn)号,必🏃‍♂️需盡☔量提(ti)高有效流量信(xin)号的幅值,而降(jiang)低幹擾噪聲的(de)幅值,即提高信(xìn)号的信噪比.我(wǒ)們的工作針對(dui)一次儀表展開(kāi),提出了一種新(xin)穎📱的傳感器結(jie)構懸浮式差動(dong)傳感器.實驗證(zheng)明,該傳感器可(kě)使渦🥵街信号的(de)信噪比大大提(tí)高,從而使現有(yǒu)渦街流量💃🏻計的(de)抗幹擾📐性能得(dé)以極大的⭐改善(shan).它對于渦街流(liu)量計的理論研(yán)究及工程應用(yòng)都具有重要的(de)意義.

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