摘要:針對(duì)渦街流量計(jì) 抗幹擾性能(neng)差.量程窄的(de)問題，研制了(le)一種抗幹擾(rǎo)性能優的通(tōng)用渦街流量(liàng)傳感器,從渦(wō)街信号的源(yuan)頭加以改進(jin)，提高了渦街(jiē)信号的信噪(zao)比和靈敏度(dù);并對渦街流(liu)量傳感器輸(shū)出信号的過(guò)程導線及初(chu)級信号處理(li)電路的信号(hao)屏蔽和保護(hu)措施加以改(gǎi)進;研制的樣(yang)機經氣體流(liu)量标準裝置(zhì)✂️等設備測試(shì)驗證,不僅能(neng)抵抗1.5g以下的(de)機械振動幹(gan)擾,而且實現(xiàn)了大于20:1的寬(kuan)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(zhong)新型的💯流量(liang)儀表，因其有(you)許多優點，吸(xi)引了國内外(wai)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(bu)晚、經驗不足(zu)，目前存在的(de)主要問題是(shì)量程不寬(10:1左(zuǒ)右)、抗幹擾性(xìng)能差等不足(zu)，因此對它的(de)研究🔴還在不(bú)斷地進行，研(yán)究者從許多(duo)方面📱對其進(jìn)行了深人的(de)研究:①旋渦發(fa)生體的研究(jiū)葉;②壓電傳感(gan)器🔞探頭位置(zhi)的研究一氣(qì);③數⛱️字信号處(chù)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(gou)、傳感器安裝(zhuang)位置或是在(zai)渦街電信号(hào)的處理後期(qi)階段的方法(fǎ)研究，而🐇對渦(wo)街電信号産(chan)生的源頭即(jí)渦街流量傳(chuan)感器本身及(jí)其輸出原始(shi)信号的保護(hu)方面研究很(hěn)少;渦街流量(liang)傳感器是渦(wō)街流量計的(de)最核心部件(jian)，它💃🏻的性能好(hao)壞直接決定(dìng)了渦街流量(liang)計的性能，而(er)在此處的研(yán)究和方法是(shi)有效提升抗(kang)幹擾性能擴(kuo)展量程的關(guān)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(xìn)号的源頭在(zai)抗振動和屏(píng)蔽方面加以(yǐ)改進，一種抗(kang)幹✂️擾性📧能好(hǎo)、輸出壓電信(xin)号信噪比強(qiang)的壓🌂電式通(tong)用渦街流量(liang)傳感器叫(簡(jian)稱壓電傳感(gǎn)器),如何提高(gāo)傳感器原始(shǐ)信号及其初(chū)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(li)
　　如圖1所示，管(guǎn)道中垂直插(cha)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(dìng)值時，在旋渦(wō)發生體兩側(ce)會交替地産(chǎn)生有規則的(de)旋渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡門(men)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(wèi)d,表體☁️通徑爲(wei)D,根📱據卡門渦(wō)街工作原理(lǐ)，可知:
f=SrU/d(1)
　　式中:f爲(wei)旋渦頻率;Sr爲(wèi)斯特勞哈爾(ěr)數;U爲旋渦發(fā)生體兩側平(ping)均流速;d爲旋(xuán)渦發生體迎(yíng)流面寬度。
　　流(liú)體産生的這(zhe)一漩渦周期(qi)性的脫落引(yin)起對三角💜柱(zhu)🐪和🏃渦街傳感(gan)器探頭周期(qī)性的作用力(lì)。根據熱力🎯學(xué)第一第二定(dìng)律和🛀🏻庫塔儒(rú)科夫斯基升(sheng)力定理01,設作(zuò)用在旋渦發(fā)生體上的升(shēng)力爲FL有:

　　式中(zhōng):CL爲升力系數(shù);p爲流體密度(du);U爲流體流速(su);A爲特征面積(jī)☎️，即升力作用(yong)面積。由于交(jiāo)替地作用在(zài)發生體上升(shēng)力的頻率就(jiù)是💜旋渦☂️的脫(tuo)落頻率，通過(guò)壓電傳⛱️感器(qì)的探頭扁📐尾(wěi)對FL升力及其(qi)變化頻率的(de)傳感和檢測(ce)，即可得到f，再(zài)由式
(1)可得流(liu)體的流速和(hé)體積流量。
　　從(cong)式(1)、(2)可以看出(chu)如何提高渦(wō)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(tóu)對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻F升力檢測(cè)的能力。是在(zai)改進壓電式(shi)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(zhan)量程的研究(jiū)方案和技改(gai)
2.1提高抗振動(dòng)性能的研究(jiu)和實現
　　由于(yu)流量計與管(guǎn)道法蘭式剛(gāng)性連接，且流(liú)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(guan)道的振動會(huì)直❤️接傳導到(dao)壓電傳感器(qi)探頭上，産生(shēng)和流量信号(hào)相同機理的(de)振動幹📧擾信(xìn)号;另外，振動(dong)也會導緻壓(ya)電傳感器的(de)導線、導線端(duan)子與電路連(lián)接觸電等部(bu)位的振動，有(yǒu)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(zì)身抗振動性(xing)能是提高渦(wō)街流量計抗(kang)振動幹擾性(xing)能的有效方(fāng)法。若等到振(zhen)動幹擾信号(hao)都疊加在流(liú)量型号上了(le)，再去想盡各(ge)種辦法去剔(ti)除幹擾信号(hao)，即不經濟，也(ye)不理想。
　　爲此(cǐ)，采用了壓電(diàn)傳感器與旋(xuan)渦發生體(三(sān)角柱)分離型(xing)的結🍉構♻️方案(an)，即研制了種(zhǒng)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(shi)，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(zi)等組成。壓電(dian)傳感器通過(guò)中部的安裝(zhuāng)法蘭盤與流(liu)量計殼體固(gu)定，下部的懸(xuan)臂梁置于旋(xuan)渦發生體内(nèi)的🈚孔洞♈中，壓(ya)電傳感器的(de)探頭扁👉尾通(tōng)過發生體兩(liang)側的側孔⭕獲(huo)取旋渦升力(li)作⚽用。并傳感(gan)出相應的渦(wo)街流量信号(hào)。在懸臂梁内(nèi)部，壓電元件(jian)機械封裝在(zài)探頭内空腔(qiāng)中，空餘空腔(qiāng)則無其它填(tian)充物。壓電元(yuan)件通過👉剛性(xing)結構的铠裝(zhuāng)導線将🏃‍♀️信号(hao)輸出到外部(bù)的接線端子(zi)上，再通過接(jiē)線端子💯将信(xìn)号輸出到外(wai)部信号處理(lǐ)電路進行處(chù)理。當管道流(liú)體因漩💜渦發(fa)生體産生渦(wō)街後，伴随産(chan)生🐅的交變升(sheng)力F,作用在懸(xuan)臂梁🔞下部的(de)探頭扁尾上(shang)，懸臂梁産生(shēng)變形并迫使(shǐ)内部的壓電(diàn)元件也同步(bù)變形，從🎯而産(chan)生出與交🚩變(biàn)升力對應的(de)電荷,通🐇過後(hòu)續的一系列(liè)信号處理電(dian)路，最終獲得(dé)流量信息。

提(tí)高抗振動性(xìng)能的設計方(fāng)案及其分析(xī):
(1)傳感器懸臂(bì)梁的探頭部(bù)分按現有工(gong)藝和技術設(she)計🔴爲較小的(de)外徑d和盡量(liàng)短的長度L,并(bing)且探頭内空(kōng)腔采用抽真(zhēn)空無填充物(wù)封裝結構，這(zhè)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(wèi)G點,質量爲mc質(zhi)點至支撐點(diǎn)距離爲L2管道(dao)振動加速度(du)🔴爲a,振動加速(su)度垂直于探(tan)頭軸線方向(xiang)的分量爲α2,則(zé)管道振動幹(gan)擾對懸臂梁(liang)的彎矩Mc公式(shì)爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公式(3)可(kě)知，由于懸臂(bì)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(bì)梁質量和等(děng)效重心的力(li)臂L2長度，在振(zhèn)動幹擾強度(du)不變的情況(kuang)下，mc越輕,作用(yòng)㊙️力臂L2越小,振(zhen)動幹擾産生(shēng)的彎矩Mc就越(yuè)小。
(2)如圖1所示(shi)，傳感器探頭(tou)插人在發生(shēng)體内的孔洞(dòng)中，僅通過發(fa)生體兩側的(de)導壓孔傳導(dǎo)出旋渦升力(li)作用于☁️探頭(tou)扁尾，其他部(bu)位不受力;如(ru)圖2所示，設旋(xuan)渦升力的作(zuo)用力🌈臂爲L，旋(xuan)渦升力作用(yong)點💔爲B,作用力(lì)爲Fe1,此時傳感(gan)器僅B點受旋(xuan)渦升力作用(yong)，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(ya)⚽電傳感器輸(shu)出的信号也(ye)最強。
(3)傳感器(qì)内部信号導(dao)線采用剛性(xìng)結構的铠裝(zhuang)導線，該結構(gou)可保證在機(jī)械振動傳感(gan)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(bian)⭕，減少了因振(zhen)動源引起的(de)電噪聲的産(chan)生。
　　以上分析(xī)說明，該壓電(dian)式渦街流量(liàng)傳感器感應(yīng)旋渦升力性(xìng)能強，受管道(dao)振動影響弱(ruò)。從根本上提(tí)高了測‼️量小(xiao)流量的靈敏(min)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(wō)街流量傳感(gan)器在工作時(shí)輸出的電荷(he)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(shòu)空間中的🈲電(diàn)磁🌍幹擾後衰(shuāi)減，所以傳感(gǎn)器的制作🔴既(jì)要保證它很(hěn)高的輸人阻(zǔ)抗，同時還需(xu)有良好的屏(píng)蔽和接地要(yao)求，以防📐止漏(lòu)電流引起的(de)電荷信号衰(shuāi)減和電磁幹(gan)擾進人電荷(hé)放大器的輸(shu)人端。爲此，研(yán)制的這種通(tōng)用渦街💋流量(liang)傳感器及其(qi)信号處理電(dian)路采用了如(rú)下的屏蔽工(gong)藝等技術方(fāng)法:
(1)傳感器探(tan)頭體内的元(yuan)件封裝采用(yòng)無任何填充(chōng)料💞的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結構,并(bìng)🔴且采用高溫(wēn)加熱和抽真(zhēn)空狀态下對(duì)傳感器進行(hang)氩弧焊接封(feng)裝，該傳感器(qi)具有常溫下(xia)104MΩ以上絕緣阻(zǔ)抗和300℃高溫下(xia)100MΩ絕緣阻抗。
(2)傳(chuan)感器輸出導(dao)線采用硬質(zhì)純鎳質内芯(xin)的金屬铠裝(zhuang)✊線👉結構，傳感(gǎn)器自身的屏(ping)蔽效果最好(hǎo);
(3)傳感器探頭(tóu)内成安裝的(de)對壓電元件(jian)采用差動信(xin)号輸出接線(xian)方式，并且其(qí)中一極與傳(chuán)感器的金屬(shu)外殼可靠接(jie)地;
(4)傳感器末(mò)端導線接線(xiàn)端與電荷放(fang)大輸入電路(lù)連🔞接部分🐇也(yě)全部采用剛(gāng)性金屬屏蔽(bì)單防護工藝(yì);
(5)信号處理電(diàn)路中将初級(jí)電荷放大電(diàn)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(yi)個金屬🔆屏蔽(bì)罩内與其他(ta)電路特别是(shì)數字電😘路隔(ge)離開來，防止(zhǐ)了後級數字(zì)電路及其他(ta)空間電磁👨‍❤️‍👨場(chǎng)的幹擾。傳感(gan)器及其初級(jí)信号處理電(diàn)🆚路的結構圖(tú)🔱如圖3所示。

　　屏(píng)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(he)幹擾、磁場耦(ou)合幹擾以及(jí)電磁輻射幹(gan)擾的最有效(xiào)手段啊。屏蔽(bì)的目的是利(li)用導電材料(liào)或高導磁率(lü)材料來減小(xiao)磁場、電場或(huò)電磁場的強(qiang)度。屏蔽可以(yǐ)㊙️應用于噪聲(sheng)源，通過用屏(ping)蔽材料把幹(gàn)擾源包圍起(qi)來以減弱㊙️幹(gàn)擾磁場的強(qiáng)度，屏蔽也可(ke)以應用于需(xu)要抑⭐制噪聲(sheng)的敏感元件(jiàn)和檢測電路(lu),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(kě)以是電纜、個(ge)别器件、部分(fèn)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(yǔ)電磁輻射三(san)種幹擾耦💋合(he)方式都是行(hang)之有效的。
3樣(yàng)機測試
　　根據(jù).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(yang)機在标準表(biao)法氣體流量(liàng)标準裝置上(shang)用常溫常⛱️壓(yā)下空氣流量(liàng)标定，量💚程比(bǐ)達到20:1以上，1.0級(ji)精度🌈合格。其(qí)中🐆DN150口徑一台(tai)樣機的測試(shì)數據如下表(biǎo)2,最小流🌈速測(cè)到了2m/s,量程比(bi)擴展到30:1。

4結束(shù)語.
　　機械振動(dong)幹擾和電磁(ci)幹擾時對渦(wo)街流量計性(xing)能影響的🐆主(zhǔ)要⁉️因素，直接(jiē)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(ji)量性能。通過(guo)從渦街信号(hao)産生的源頭(tóu)做起，研制了(le)一種抗幹擾(rǎo)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(chuan)輸導線和前(qián)置放大處理(lǐ)電路等的可(ke)靠👨‍❤️‍👨屏蔽保護(hù)改進措施的(de)兩項研究和(he)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(qì)标定量程範(fàn)圍超過20:1,可測(cè)最大流量達(da)到4100m3/h(60m/s),最小流速(su)已測到2m/s,實現(xiàn)了寬量程性(xing)能;

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