摘要：針對(dui)渦街(jie)流量計 抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)差(cha)的缺點(dian),設計了一(yi)種新(xin)的傳(chuan)感器結構(gou)一一懸浮式差動傳感(gan)器,使流(liu)量計(ji)一次(ci)儀表輸出(chu)信号的信(xin)噪比(bi)大大提高.實驗結(jie)果(guo)表明(ming),采用此種(zhong)傳感器結(jie)構(gou)的(de)渦街(jie)流量計(ji)的抗千擾性(xing)能得(de)到顯(xian)著改善(shan).
　　渦街流量計(ji)是利用旋(xuan)渦脫(tuo)離(li)誘(you)發流(liu)體振動的(de)原理(li)實現流(liu)量的計(ji)量,其(qi)主要特點(dian)是:無運(yun)動(dong)部件(jian)，因此不必(bi)考慮(lü)流體(ti)中(zhong)雜(za)質對流量計的物理(li)損害,從而極大(da)地拓(tuo)展了精密(mi)流量(liang)計(ji)的(de)應用(yong)範圍(wei),并有良好(hao)的線性度(du)、較大(da)的量(liang)程和很強(qiang)的介質适(shi)應性(xing),可用(yong)于(yu)不(bu)同流(liu)體的(de)穩态和瞬(shun)态流(liu)量的計量(liang).此外，它還(hai)有具有壓(ya)力損(sun)失小(xiao)、可靠性(xing)高(gao)、維護方便(bian)和(he)不(bu)受流(liu)體組成、密(mi)度、溫度、壓力影響等(deng)優點,是(shi)測量氣(qi)體、液(ye)體、蒸(zheng)汽、混(hun)合型(xing)和腐蝕性(xing)流體(ti).的(de)理想的(de)流量(liang)計.
　　但(dan)是,渦街流量計存在(zai)兩大缺陷(xian):(1)小流(liu)量信噪比低;(2)抗(kang)幹擾(rao)性能差.其(qi)中抗幹擾(rao)性能(neng)是衡量一台工(gong)業渦街流量計(ji)應用(yong)好壞(huai)的一(yi)個重(zhong)要指标.目(mu)前很多(duo)工業用(yong)戶之所以對渦(wo)街流量計(ji)的應用失(shi)去(qu)信心，是(shi)因爲在實(shi)際應(ying)用中(zhong),工(gong)業(ye)振動(dong)是普(pu)遍存在的;而一(yi)般的工業(ye)振動(dong)頻(pin)率大都在幾(ji)赫茲到幾(ji)千赫茲之(zhi)間,渦(wo)街流(liu)量計的旋(xuan)渦分離頻(pin)率正(zheng)好落(luo)在這個範(fan)圍之内..
　　近(jin)10年來,針對(dui)以(yi)上(shang)問題(ti)國内(nei)外(wai)學(xue)者做(zuo)了大(da)量的(de)研究(jiu),并且(qie)大部分研究主(zhu)要是(shi)從信(xin)号處理(li)的(de)角度(du)出發.如采用自(zi)适應譜分析方法對渦街(jie)信号(hao)進行處理(li)以提(ti)高渦街流量計(ji)的抗噪能力川(chuan),又如根(gen)據實驗(yan)數據對(dui)渦(wo)街流量産(chan)生的信号(hao)建立數學(xue)模型(xing)将譜(pu)預測(ce)的方(fang)法運(yun)用到(dao)渦街流量(liang)計(ji)上,用以(yi)提高渦街(jie)流量計的抗幹(gan)擾性(xing)能,使(shi)計量(liang)精度和可靠(kao)性得到(dao)提高.除通(tong)過信(xin)号處理的技術(shu)外，人們還(hai)從傳(chuan)感器(qi)方(fang)面尋找(zhao)改善(shan)渦街流量(liang)計性能的思路(lu)，如通(tong)過改進壓電傳(chuan)感(gan)器達到(dao)減弱管道(dao)振動(dong)對渦(wo)街(jie)流量計(ji)影響的目(mu)的.
1懸(xuan)浮式差(cha)動(dong)傳感(gan)器的設計
1.1流量(liang)傳感(gan)器(qi)幹擾噪(zao)聲分析
　　渦街流(liu)量計(ji)是(shi)根據卡(ka)門旋渦(wo)頻(pin)率實現流(liu)量(liang)測量的(de)流量(liang)計(ji).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(zhi)間(jian)的距(ju)離h與同列的兩旋渦之(zhi)間(jian)的距(ju)離L之比(bi)滿(man)足h/L=0.281時(shi),形成(cheng)卡門渦街(jie)如圖(tu)1所示(shi).大量實驗(yan)證明:在一(yi)-定的雷諾(nuo)數範圍内(nei),穩(wen)定的旋(xuan)渦發生頻率ƒ與旋渦發生(sheng)體側(ce)流速u與(yu)旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的(de)柱(zhu)寬d有(you)如下(xia)确定(ding)的關(guan)系:ƒ=(u/d)St.式中(zhong)St爲(wei)斯特(te)勞哈爾數(無綱(gang)量),對于一定形(xing)狀的(de)旋(xuan)渦(wo)發生體,在(zai)一-定(ding)的雷(lei)諾數範圍(wei)内是一個(ge)常數(shu).由于(yu)流體(ti)流量與其(qi)流速(su)之間(jian)存在(zai)線性關系,所以通過(guo)測量旋渦(wo)發生引(yin)起(qi)的流(liu)體振(zhen)動頻率，即(ji)可實現對流體流量(liang)的測量.
 
　　由(you)渦街流量(liang)計的(de)工作原理可見(jian)，渦街(jie)流量(liang)計是利用(yong)流體自身(shen)振動實現流體(ti)的測(ce)量的.而待(dai)測系(xi)統中(zhong)存在(zai)的壓力脈(mo)動或(huo)外界的振動源和噪(zao)聲(sheng)源也會(hui)引起(qi)待測系統(tong)中流(liu)體的振動(dong),這些(xie)外來的振(zhen)動信(xin)号，或改變(bian)旋渦振(zhen)動(dong)頻率，或直(zhi)接進人二(er)次儀(yi)表,造(zao)成計量誤(wu)差(cha).理想情(qing)況下(xia)，渦街(jie)流量計輸(shu)出正弦波(bo)信号,但(dan)實(shi)際上(shang)由于(yu)流體流動(dong)噪聲、機(ji)械振動(dong)噪聲(sheng)等千擾的(de)影響,它遠(yuan)非理(li)想的(de)正(zheng)弦(xian)波信(xin)号，而(er)是一(yi)個混(hun)有強(qiang)噪(zao)聲(sheng)的混(hun)合信(xin)号(hao)。
1.2懸浮式(shi)差動傳感器的(de)結構(gou)
　　在渦(wo)街流量計中,懸(xuan)浮差(cha)動式流量(liang)傳感(gan)器的(de)安裝如圖(tu)2所示,傳(chuan)感器B安(an)裝在(zai)旋渦發生(sheng)體A的後面(mian).傳感(gan)器的軸線與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)平行,整個傳感(gan)器都(dou)沉浸(jin)在流(liu)體中(zhong)[5].圖中(zhong)的懸浮式(shi)差動傳感(gan)器在(zai)設計中使用了(le)4個壓電晶(jing)體作(zuo)爲檢(jian)測元件，在(zai)平闆兩側(ce)對稱(cheng)固定(ding)了兩個檢(jian)測單元，以(yi)形成(cheng)差動(dong)結構.每個(ge)檢測(ce)單元(yuan)外形(xing)爲一(yi)個半圓柱(zhu)型殼體(ti)，殼(ke)體内(nei)具有(you)與平闆軸(zhou)線平(ping)行的(de)通孔,通孔(kong)内(nei)有兩個(ge)尺寸、質(zhi)量(liang)和靈(ling)敏度系數都相(xiang)同的壓電陶瓷片，兩(liang)壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)片之(zhi)間由一金(jin)屬質(zhi)量塊(kuai)相連(lian),該質量塊(kuai)與兩壓電(dian)陶(tao)瓷片焊(han)接在一起(qi)組成(cheng)一個(ge)剛(gang)體.金屬(shu)質量(liang)塊(kuai)同(tong)時也作爲(wei)壓電陶瓷(ci)的輸(shu)出電(dian)極,引出檢(jian)測(ce)信(xin)号給(gei)電荷放大(da)電路(lu).兩片(pian)壓電(dian)晶體(ti)采用并(bing)聯(lian)式結構,如圖(tu)3所(suo)示,使(shi)輸出電荷(he)量加(jia)倍,以達到(dao)增大(da)渦街(jie)流(liu)量信号的目(mu)的.
 
　　每(mei)個檢(jian)測單元的(de)_上”下(xia)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片在安裝(zhuang)時必(bi)須具(ju)有相等的(de)受壓預緊(jin)力，以(yi)保證(zheng)由兩個壓(ya)電陶瓷(ci)片(pian)與金(jin)屬質(zhi)量塊形成(cheng)的剛體中會形成一(yi)個内應力(li)分界面(mian).由(you)于金屬質(zhi)量(liang)塊(kuai)具有(you)一定的(de)厚(hou)度，所(suo)以内應力分界(jie)面一定(ding)會(hui)在金屬質(zhi)量塊的内(nei)部,而兩個壓電陶瓷片(pian)又(you)是嚴(yan)格對(dui)稱匹(pi)配的，因此(ci),可(ke)以在結(jie)構上保證(zheng)在受(shou)到相等的(de)力的(de)作用(yong)時(shi),這(zhe)兩個(ge)壓電(dian)陶瓷(ci)片能(neng)夠産生相等的(de)電荷.
1.3懸浮式差(cha)動傳(chuan)感器(qi)的抗幹擾(rao)工(gong)作原理(li)
1.3.1懸浮式結(jie)構對(dui)振動(dong)幹擾的抑(yi)制
　　懸(xuan)浮式(shi)結構(gou)對于流(liu)場(chang)中的(de)振動幹擾(rao)噪聲(sheng)可以實現(xian)有效(xiao)的抑制(zhi).管(guan)道在(zai)外界(jie)幹(gan)擾作用(yong)下産生的(de)振動總是(shi)可以分解(jie)爲如圖4所(suo)示的三個方向，即方(fang)向a----與旋渦(wo)升力方向相(xiang)同、方向(xiang)b----與流(liu)體流(liu)動方(fang)向垂直(zhi)、方向c--與(yu)流體流動(dong)方向(xiang)平行.根(gen)據懸浮(fu)式差(cha)動傳(chuan)感器(qi)結構與安裝方(fang)式，可(ke)知(zhi)方(fang)向b與(yu)方向(xiang)c上的振動(dong)幹擾(rao)不會(hui)産生噪聲信号(hao),隻有(you)方向(xiang)a的振(zhen)動幹擾可引起傳感(gan)器殼體的(de)跟随(sui)振動(dong).此時,由于(yu)傳感器中金屬質量(liang)塊的(de)慣性(xing)作用，檢測(ce)單元(yuan)中上下(xia)對(dui)稱的(de)兩個壓電陶瓷(ci)片會分别受到(dao)壓力和拉(la)力的作用,這(zhe)使得兩(liang)個壓電陶(tao)瓷片(pian)分别産(chan)生(sheng)極性(xing)相反的正(zheng)負電荷信号.由(you)于兩(liang)個壓電(dian)陶(tao)瓷片(pian)采用(yong)并聯(lian)結構(gou),所以當(dang)上(shang)下兩個壓電(dian)陶(tao)瓷片(pian)的信(xin)号(hao)在(zai)金屬(shu)質量塊中(zhong)相加(jia)時,幹擾信号所産生(sheng)的電荷信(xin)号會相(xiang)互(hu)抵消,傳感(gan)器起(qi)到了(le)自減振(zhen)的(de)作用(yong),從而極大(da)地削(xue)弱了此方(fang)向的幹擾信号.
 
1.3.2差動(dong)式結構(gou)對振動(dong)幹擾(rao)的(de)抑制
　　如(ru)圖3所示(shi)，當旋渦流經(jing)傳感器時(shi)，旋渦産生(sheng)的交變壓(ya)力作用在(zai)兩個檢(jian)測單元(yuan)的彈(dan)性(xing)膜片上(shang),使兩側的壓電陶瓷(ci)片交替産(chan)生電荷.兩(liang)個檢測單(dan)元(yuan)會輸出(chu)帶有(you)噪聲的正(zheng)弦信(xin)号Si與S2,如圖(tu)5所示.由于兩個檢測單元的對(dui)稱性,使得(de)St與S2信号中(zhong)所含(han)的渦(wo)街流(liu)量(liang)信(xin)号的(de)幅值與(yu)頻率相(xiang)同、相位相(xiang)差180°;又(you)因爲(wei)管道振動(dong)、流場脈動(dong)等引起的(de)幹擾振動(dong)對兩側的(de)壓電(dian)陶瓷片的(de)作用(yong)是一(yi)緻(zhi)的(de),所以S1與S2信(xin)号中(zhong)所含(han)幹擾信号爲幅(fu)值、頻率與相位(wei)都相同的(de)共模(mo)信号.在采用差(cha)動式(shi)電(dian)荷放大(da)前置(zhi)放大電路(lu)中,輸出信(xin)号隻(zhi)含有(you)差模信号(hao)S1-S2,從而(er)有效(xiao)地抑(yi)制了(le)振(zhen)動幹擾(rao).
 
2實驗結果
　　圖6與(yu)圖7分(fen)别爲傳統(tong)渦街(jie)流量計與(yu)使用(yong)了(le)懸(xuan)浮式(shi)差動傳感(gan)器的(de)渦街流(liu)量計在(zai)管道受到(dao)外力(li)敲擊(ji)時(shi)的渦街(jie)流量信号(hao)(該信(xin)号爲經差(cha)動放(fang)大後的(de)信(xin)号).由圖6可(ke)見(jian),傳(chuan)統渦(wo)街流(liu)量計(ji)對振動非常(chang)敏感，渦(wo)街流量信(xin)号中疊加(jia)了很強的(de)幹擾(rao)信号(hao).而在使用(yong)了(le)懸浮式(shi)差動(dong)傳感器的(de)渦街(jie)流量(liang)計中(zhong),管道受到(dao)敲擊時的(de)幹(gan)擾被大(da)大削弱(ruo),在(zai)經差動放(fang)大後幾乎(hu)沒有幹擾(rao)信号.
 
結論(lun)
　　爲(wei)了使渦(wo)街流量計(ji)能夠(gou)測量(liang)低流速、小(xiao)流量的信号,必(bi)需盡量(liang)提高有(you)效流量(liang)信(xin)号的(de)幅值,而(er)降低幹(gan)擾噪聲(sheng)的(de)幅值(zhi),即提(ti)高(gao)信号的(de)信噪比(bi).我(wo)們的(de)工作針(zhen)對一次(ci)儀表(biao)展開(kai),提出(chu)了一(yi)種(zhong)新(xin)穎的(de)傳感器結(jie)構懸(xuan)浮式(shi)差動傳感(gan)器.實(shi)驗證明,該傳感(gan)器(qi)可使渦(wo)街信(xin)号的信噪(zao)比大(da)大提高,從(cong)而使現(xian)有(you)渦街(jie)流量計(ji)的(de)抗幹(gan)擾性能得(de)以極大的改(gai)善(shan).它對(dui)于渦(wo)街流量計的理(li)論研究及(ji)工程應(ying)用(yong)都具(ju)有重(zhong)要(yao)的(de)意義(yi).

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