摘(zhāi)要:采用壓電晶體(ti)傳感器利用卡門(mén)渦街原理，一種氣(qì)體流量計 的結構(gou)，分别對氣體流量(liang)測量儀結構的各(gè)個部分進行了分(fen)析。并對壓電晶體(ti)産生的電荷信号(hao)進行處理，分析和(he)設計各個環節的(de)電路。該流量計所(suǒ)用檢測壓💋電元件(jiàn)不接觸氣體，适💘于(yú)惡劣環境、不易結(jie)垢，耐高溫、高壓、安(an)全🏃‍♀️防爆，适用于測(cè)量封閉管道的氣(qì)體累計流量和瞬(shùn)時流😍量。
1氣體流量(liang)的測量方法
國内(nèi)儀表市場氣體流(liu)量計常見的主要(yao)是以下幾🌂類㊙️：
（1）差壓(ya)式流量計
　　差壓式(shi)流量計 是以伯努(nu)利方程和流體連(lián)續性方程爲依據(ju)，根據節流🔆原理，當(dang)流體流經節流件(jian)時(如标準孔闆、标(biao)準噴嘴、長徑噴嘴(zui)、經典文丘🏃🏻‍♂️利嘴、文(wén)丘利噴嘴等)，在其(qí)🏃🏻‍♂️前後産生壓差，此(cǐ)差壓值與該流量(liang)的平方成正比。隻(zhī)要能把節流機構(gòu)前後的壓差p1-p2取出(chu)來，就可以測🙇🏻出流(liú)量。
（2）渦輪流量計
　　渦(wo)輪流量計 是比較(jiao)正确的一種流量(liang)檢測裝置。當流體(ti)流經渦輪流量傳(chuan)⭐感器時，在流體推(tuī)力作用下渦輪受(shòu)力旋轉，其轉速與(yu)管道平均流速成(chéng)正比，渦輪流量計(ji)的理論流💔量方程(cheng)爲

　　式中，nT爲渦輪轉(zhuǎn)速；qv爲體積流量；A爲(wèi)流體物性(密度、粘(zhān)度等)，渦輪結構參(can)數(渦輪傾角、渦輪(lun)直徑、流道截面積(jī)等)有關的參🤞數；B爲(wei)與渦🏃輪頂隙、流體(tǐ)流速分布有關的(de)系數；C爲與摩擦力(lì)💰矩有關的系數。
（3）渦(wo)街流量計
　　渦街流(liú)量計 主要用于工(gōng)業管道介質流體(ti)的流量測量，如氣(qi)體、液體、蒸氣等多(duō)種介質。其特點是(shì)壓力損失小，量程(cheng)範圍大，精度高，在(zai)測量工況體積流(liú)量時幾乎不受流(liú)體密度、壓力💯、溫度(du)、粘度等參數的影(ying)響。無可動機🏃🏻‍♂️械零(líng)件，因此可靠性高(gāo)，維護量小，儀表參(can)數能長期穩定。渦(wo)街流量計流量方(fāng)程可用下式表示(shi)

　　式中，f爲旋渦的釋(shi)放頻率；v爲流過旋(xuan)渦發生體的流體(tǐ)平均速度；d爲旋渦(wō)發生體特征寬度(dù)；St爲斯特羅哈數，無(wú)量綱，它的數值範(fan)圍🌂爲0.14－0.27。
（4）超聲波流量(liàng)計
　　超聲波流量計(jì) 由超聲波換能器(qì)、信号處理電路、單(dān)片機控制系統🧑🏾‍🤝‍🧑🏼3部(bu)☁️分組成。在有氣體(tǐ)流動的管道中，超(chāo)聲脈沖順流傳播(bō)的速度要比逆流(liú)時快。流過管道的(de)氣體速度越快，超(chāo)聲順流和逆流傳(chuan)播的時間差越大(da)。分爲時差式(測量(liàng)❗順流和逆流傳播(bo)的🏒時間差)、相差式(shì)(測量♉順流和逆流(liú)傳播的相位差)、頻(pin)差式(測量順流和(he)逆流傳播的循環(huán)頻率差)、多普勒超(chao)聲波流量計(以物(wù)理學中的多普勒(le)效應爲🏃‍♂️工作原理(li)，适合于對兩相流(liú)的測量)。
（5）容積式流(liu)量計
　　容積式流量(liang)計又稱排量流量(liàng)計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱PD流量計或(huo)PDF，在🏒流量♍儀表中是(shi)精度最高的一類(lei)。它利用機械測量(liàng)元件把流🏃🏻‍♂️體連續(xu)不斷地分割成單(dān)個已知的體積📱部(bù)分，根據計量室逐(zhú)次♉、重複地充滿和(he)排放該體積部分(fen)流體的次數來測(cè)量流量體積總量(liang)。容積式流👉量計的(de)理論流量計算公(gōng)式

　　式中，q爲工況下(xià)的體積流量，m3/s；n爲旋(xuán)轉體的流速，周/s；V爲(wei)旋轉㊙️體每轉一周(zhōu)所排流體的體積(ji)，m3/周。
　　采用渦街流量(liàng)計測量高溫氣體(tǐ)的流量，下面通過(guo)分析氣體流量傳(chuán)感器測量氣體的(de)原理，設計其結構(gou)部❌分，采☔用雙壓電(dian)晶體作爲傳感技(ji)術，測量其頻率信(xin)号。
2渦街流量計工(gong)作原理與結構設(shè)計
2.1工作原理
　　渦街(jie)流量計是利用流(liu)體力學中卡門渦(wō)街原理制作的一(yi)種儀表，如圖1所示(shì)。

　　把一個非(fēi)線性對稱形狀的(de)物體（如圓柱體、三(san)角柱🔆體、矩形柱體(ti)、六面柱體等，以下(xia)簡稱漩渦發生體(ti)）垂📞直插在管道中(zhōng)，流體繞過漩渦發(fa)生體時，出現了附(fu)面層分離，在漩💛渦(wo)發生⭐體左右♈兩側(cè)的後方會産生漩(xuán)渦，形成渦列。
　　由于(yu)漩渦之間相互影(yǐng)響，漩渦列一般是(shì)不穩定的，但卡門(mén)從理論上證明了(le)當兩漩渦列之間(jiān)的距離🔆h與同列的(de)2個漩渦之間的距(jù)離L滿足公式h/L=0.281時，非(fei)對稱的漩渦列就(jiu)能保持穩定。此時(shi)漩渦的頻率f與流(liú)體的流速及👈漩渦(wo)發生體的寬度d有(yǒu)下述關🈲系

式中
v1———柱(zhù)體兩側處的流速(sù)(m/s)；
d———柱體迎流面最大(dà)寬度(m)；
Sr———無量綱數，在(zài)柱體形狀确定後(hou)，在一定的雷諾數(shu)範圍内爲常數，稱(chēng)爲斯特勞哈爾(Strouhal)數(shu)。
根據流動的連續(xu)性，可知

式中
S1———柱體(ti)兩側流通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流通面積(jī)(m2)；
v———管道内流體的平(ping)均流速(m/s)。
設流通面(mian)積比爲n（當d/D<0.35時，可認(ren)爲n=1-1.25d/D），則

2.2結構設計
　　氣(qì)體流量計由傳感(gǎn)器和轉換器2部分(fen)組成，如圖2所示。

　　圖中傳感器包(bao)括旋渦發生體(阻(zu)流體)、檢測元件、儀(yí)💞表表體等🔞；轉換器(qì)包括前置放大器(qi)、濾波整形電路✍️、D/A轉(zhuan)換電路、輸出接口(kou)電路、端子、支架和(hé)防護罩等。旋渦發(fa)生體是檢測器的(de)主要部⁉️件，它與儀(yí)表的流量特性(儀(yi)表系數、線性度、範(fan)圍度等)和阻力🏃‍♂️特(tè)性(壓力損失)密切(qiē)相關，應選用優良(liang)的材料，并使之具(jù)有良好的機械性(xing)能和抗腐蝕性能(neng)。
　　氣體流量計采用(yòng)壓電元件作爲檢(jian)測元件。采用第一(yī)種檢測♊方式。檢測(cè)元件密封安裝在(zai)發生體内部，不接(jie)觸被測氣體。
3壓電(dian)晶體測量原理
3.1壓(ya)電傳感器的結構(gòu)形式
　　在壓電傳感(gan)器中，常采用2片或(huo)2片以上的壓電材(cai)料組🐅合一起❗使用(yòng)的2種不同結構形(xíng)式。一是2片壓電片(piàn)負極都集🌍中于中(zhong)間電極上，而正極(ji)分别在上下2面電(dian)極上的并聯連接(jiē)形式。此時，輸出電(dian)容Ca'=nCa（n爲并聯壓電材(cai)料片數，Ca爲單片電(dian)容）；輸出電壓Ua'=nUa（Ua爲單(dan)片的電壓）；輸出電(dian)荷Q'=nQ（Q爲單片電荷）；二(èr)🛀🏻是各單片壓電元(yuán)件正負🏃🏻‍♂️極性順序(xù)相連接的串聯連(lian)接方式。此時，輸出(chu)電荷🌐Q'=Q（Q爲單片電荷(hé)）；輸出電壓U'a=nUa(Ua爲各片(pian)的電壓)；輸出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片電容）。顯然(rán)，并聯接法的輸出(chu)電荷量大，本身的(de)電容也大🏃🏻‍♂️。因此，其(qi)時間🈲常數大（τ=CaR），适宜(yi)于測量緩慢變化(huà)的信号，并且還适(shi)用于以電荷爲輸(shu)出量的場合。
3.2壓電(dian)傳感器的測量電(dian)路
　　由于壓電傳感(gǎn)器的内阻抗很高(gao)、輸出電信号很弱(ruo)，一般需将電信号(hào)經高輸入阻抗的(de)前置放大器放大(da)再進行傳輸、處理(li)和測量。前置放大(dà)器的主要作用是(shì)将壓電信号經過(guò)👨‍❤️‍👨前置放大器的阻(zu)抗變換成低阻抗(kàng)輸👄出，也起到放大(dà)弱信号的作用。壓(ya)電傳感器的輸出(chu)信号經過前置放(fàng)大器的阻抗變換(huan)和放大後，就可以(yi)🔞采✉️用一般的放大(dà)、檢波指示或通過(guo)功率放大至🔴紀錄(lu)和數據處理設備(bei)。
　　按照壓電式傳感(gan)器的工作原理及(ji)其等效電路，傳感(gǎn)器🔆可堪🔴稱♊電壓發(fā)生器，也可以看作(zuo)是電荷發生⭕器。因(yīn)此前🌈置放大器也(yě)有2種形式：一種是(shi)電壓放大器，一般(ban)稱作阻抗變換器(qi)，其輸🤩出電壓與輸(shu)入電壓成比例；另(ling)一種是電☁️荷放大(da)器，其輸出電壓與(yǔ)輸入電荷成比例(lì)。
4結語
　　當前國内外(wai)幾種流量計應用(yong)的基礎上，采取渦(wō)街流量計測量🍉流(liu)量的原理測量高(gao)溫氣體的流量。針(zhēn)對壓電傳感器進(jìn)行分析，利用壓電(dian)晶體進行測量的(de)原理，并對其壓電(dian)傳感器的結構形(xíng)式進行分析。

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