摘要：針對渦(wo)街流量計 抗(kàng)幹擾性能差(cha)的缺點,設計(ji)了一種新的(de)傳感器結構(gou)一一懸浮式(shì)差動傳感器(qi),使流量計一(yī)次儀表輸出(chu)信📱号的信噪(zao)比大大提✍️高(gao).實驗結果表(biao)明,采用此💯種(zhǒng)傳感器結構(gòu)的渦街💃流量(liàng)計的抗千擾(rǎo)性能得到顯(xiǎn)著改善.
　　渦街(jiē)流量計是利(li)用旋渦脫離(lí)誘發流體振(zhen)動的原💘理實(shi)👌現流量的計(jì)量,其主要特(te)點是:無運動(dong)部件，因此不(bú)必考慮流體(ti)中雜質對流(liu)量計的物理(li)損害,從而極(jí)大地拓展了(le)精密流量計(ji)的應用範圍(wei),并有良好的(de)線性度、較大(da)的量程和很(hen)強的介質适(shì)應性,可用于(yú)不同流體的(de)穩态和🔅瞬态(tai)流量的計量(liang).此外，它還有(yǒu)具有壓力損(sun)失小、可靠性(xing)高、維護方便(biàn)和不受流體(ti)組成、密度、溫(wen)度、壓力🌍影響(xiang)等優點,是測(ce)量氣體、液體(tǐ)、蒸汽、混合型(xing)和腐蝕性流(liú)體.的理想的(de)流量計.
　　但是(shi),渦街流量計(jì)存在兩大缺(quē)陷:(1)小流量信(xìn)噪比低;(2)抗幹(gan)擾性能差.其(qi)中抗幹擾性(xìng)能是衡量一(yī)台工業渦街(jiē)流量計應用(yòng)好壞的一個(ge)重要指标.目(mu)前很多💁工業(ye)用戶之所以(yǐ)對渦街流量(liàng)計的應用失(shi)去信心，是因(yin)爲在實際應(yīng)用中,工業振(zhèn)動是普遍存(cún)在的;而一般(bān)的工業振動(dong)頻率大都在(zài)幾赫茲到幾(ji)千赫茲之間(jiān),渦街流🔞量計(ji)的旋渦分離(lí)頻率正好落(luò)在這個範圍(wéi)之内♈..
　　近10年來(lai),針對以上問(wèn)題國内外學(xue)者做了大量(liàng)的研🍉究,并且(qiě)🎯大部分研究(jiu)主要是從信(xin)号處理的角(jiao)度出發.如采(cai)用自适應譜(pǔ)分析方法對(duì)渦街信号進(jin)行處理以提(tí)高渦街流量(liàng)計的抗噪能(neng)力川,又如根(gēn)據實🚶‍♀️驗數據(ju)對渦街流量(liang)産生的信号(hao)建立數學模(mó)型将⭐譜預測(cè)的方❌法運用(yong)到渦街流量(liàng)計上,用以提(tí)高渦😘街流量(liang)計的抗幹擾(rao)性能,使計🌏量(liàng)精度和可靠(kào)性得🍉到提高(gao).除通過信号(hào)處理的技術(shù)外，人們還從(cong)傳感器🏒方面(mian)尋找改善渦(wō)街流量計性(xing)能的思路，如(rú)通過改進壓(ya)電傳感器達(da)到減弱管道(dào)振動對渦街(jiē)流量計影響(xiǎng)的目的.
1懸浮(fu)式差動傳感(gan)器的設計
1.1流(liu)量傳感器幹(gàn)擾噪聲分析(xī)
　　渦街流量計(jì)是根據卡門(mén)旋渦頻率實(shí)現流量測量(liàng)的流量計.在(zài)具有旋渦發(fā)生體的流場(chang)中,當兩旋渦(wo)列之間的距(jù)離😘h與同列的(de)兩旋渦之間(jian)的距離L之比(bi)滿足h/L=0.281時㊙️,形成(chéng)卡門渦街如(rú)圖1所示.大量(liang)實驗證明:在(zài)⛷️一-定的雷諾(nuo)數範圍内,穩(wěn)定的旋渦發(fa)生頻率ƒ與旋(xuán)渦發生體側(ce)流速u與旋渦(wō)發生體的柱(zhu)📞寬d有如下确(que)定的關系:ƒ=(u/d)St.式(shi)中St爲斯特勞(láo)哈爾數(無綱(gang)量),對于一定(ding)形狀的旋渦(wo)發生體,在一(yī)-定的雷諾數(shu)範圍内是一(yi)個常數.由于(yú)流體流量與(yu)其流速之間(jian)存♊在線性關(guan)系,所以通過(guo)測量旋渦發(fa)生引起的流(liu)體振動🈲頻率(lü)，即可實現對(duì)流體流量的(de)🌐測量.
 
　　由渦街(jie)流量計的工(gōng)作原理可見(jian)，渦街流量計(jì)是利用流體(tǐ)⭕自💋身振動實(shí)現流體的測(cè)量的.而待測(ce)系統中存在(zài)的壓力脈動(dong)💃或外界的振(zhèn)動源和噪聲(sheng)源也會引起(qǐ)待測系統中(zhōng)流體的振動(dòng),這些外來的(de)振動信号，或(huo)改變旋渦振(zhen)動頻率，或直(zhí)接進人二次(ci)儀表,造成計(jì)量誤差.理想(xiǎng)情況下，渦街(jiē)流量計輸出(chū)正弦🏃‍♀️波信号(hao),但實際上由(you)于流體流💁動(dòng)噪聲、機械振(zhen)動噪聲等千(qian)擾的影響,它(ta)遠非理想的(de)正弦波信号(hào)，而是一個混(hun)有強噪聲的(de)混合信号。
1.2懸(xuán)浮式差動傳(chuán)感器的結構(gou)
　　在渦街流量(liàng)計中,懸浮差(chà)動式流量傳(chuan)感器的安裝(zhuang)🆚如圖2所示,傳(chuan)感器B安裝在(zài)旋渦發生體(tǐ)A的後面.傳感(gǎn)㊙️器的軸線與(yu)旋渦發❗生體(ti)平行,整個傳(chuán)感器都沉浸(jìn)㊙️在流體中[5].圖(tu)中的懸浮式(shi)差動傳感器(qì)在設計中使(shǐ)✍️用了4個壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電(dian)晶體作⛹🏻‍♀️爲檢(jian)測元☁️件，在平(ping)闆兩側對稱(cheng)☎️固定了兩個(ge)檢測單元，以(yǐ)形成差動結(jié)🔆構.每個檢測(cè)單元外形爲(wei)一個半圓柱(zhù)型殼體，殼體(tǐ)内具有與平(ping)闆軸線平行(hang)的通孔,通孔(kong)内有兩個尺(chi)寸、質量和靈(ling)❗敏度系數都(dou)相同的壓電(diàn)陶瓷片，兩壓(yā)電陶瓷片之(zhi)間由一金📞屬(shǔ)質量塊相連(lian),該質量塊與(yǔ)兩壓電🚶陶瓷(ci)片焊接在一(yī)起組成一個(ge)剛體.金屬質(zhì)量🔞塊同時也(ye)📱作爲壓電陶(tao)瓷的輸出電(dian)極,引出檢測(cè)信号給電荷(hé)放大電路.兩(liǎng)片壓電晶體(tǐ)采用并聯式(shi)結構,如圖3所(suo)示,使輸出♈電(diàn)荷量加倍,以(yi)達到增🆚大渦(wo)街流量信号(hao)的目的.
 
　　每個(ge)檢測單元的(de)_上”下兩個壓(ya)電陶瓷片在(zài)安裝時🔴必須(xū)具🌈有相等的(de)受壓預緊力(lì)，以保證由兩(liǎng)個壓電陶瓷(cí)片與金屬質(zhi)量塊形👣成的(de)剛體中會形(xíng)成一個内應(ying)力分界面.由(yóu)于金屬質量(liàng)塊具有一定(dìng)的厚度🙇‍♀️，所以(yi)内應力分界(jie)面一定會在(zài)金屬質量塊(kuài)的内部,而兩(liang)個壓電陶瓷(cí)片又是☎️嚴格(ge)對稱匹配的(de)，因此,可以在(zài)結構上保證(zheng)在受到相等(děng)的力的作用(yòng)時,這兩個壓(ya)電陶瓷片能(neng)夠産生相等(děng)的電🆚荷.
1.3懸浮(fu)式差動傳感(gǎn)器的抗幹擾(rao)工作原理
1.3.1懸(xuan)浮式結構對(duì)振動幹擾的(de)抑制
　　懸浮式(shi)結構對于流(liu)場中的振動(dong)幹擾噪聲可(ke)以實現🚶有🚩效(xiao)的🌍抑制.管道(dào)在外界幹擾(rǎo)作用下産生(sheng)的振動總🐆是(shi)可以分解爲(wèi)如圖☔4所示的(de)三個方向，即(ji)方向a----與旋渦(wō)升力方🈲向相(xiàng)同、方向b----與流(liu)體流💃🏻動方向(xiang)垂直、方向c--與(yu)流體流動方(fang)向平行.根據(ju)懸浮式差動(dòng)傳感器結構(gou)與安💘裝方式(shì)，可知方向b與(yu)方向c上的振(zhèn)動幹🏃擾不會(huì)産生🚶‍♀️噪聲信(xìn)号,隻有方向(xiang)a的振動幹擾(rǎo)可引起傳感(gan)器殼體的跟(gēn)随振動.此時(shi),由于傳感器(qi)中金❄️屬質量(liang)塊的慣性作(zuò)用，檢測單元(yuan)中上😄下對稱(chēng)的兩個壓電(dian)陶瓷片會分(fen)别受到壓力(lì)和拉力的作(zuo)用,這☁️使得兩(liǎng)個壓電陶瓷(cí)片分🏃‍♂️别産生(sheng)極性相反的(de)正負電荷信(xìn)号.由于兩個(ge)壓電陶瓷片(pian)采用并聯結(jié)構,所🥰以當上(shàng)下兩個壓電(diàn)陶瓷♻️片的信(xìn)号在金屬質(zhì)量塊中相加(jiā)時,幹擾信号(hao)所産生的電(diàn)🔞荷信号會相(xiàng)互抵消,傳感(gǎn)器起到了自(zì)減振的作用(yòng),從而極大地(dì)削弱了此方(fang)向的幹擾信(xin)号.
 
1.3.2差動式結(jié)構對振動幹(gàn)擾的抑制
　　如(rú)圖3所示，當旋(xuán)渦流經傳感(gǎn)器時，旋渦産(chan)生的交變🌈壓(ya)力作用在兩(liǎng)個檢測單元(yuán)的彈性膜片(pian)上,使兩側的(de)壓電陶瓷片(piàn)交替産生電(dian)荷.兩個檢測(cè)單元會輸出(chū)帶有🐪噪聲的(de)正弦信🤟号Si與(yǔ)S2,如🛀圖5所示.由(yóu)于兩個檢測(cè)單元的對稱(chēng)性,使得St與S2信(xìn)号中所含的(de)渦街流量信(xìn)号的幅值與(yu)頻率相同⭐、相(xiàng)位相差180°;又因(yīn)爲管道振🏒動(dong)、流場脈動等(deng)引起的幹擾(rǎo)振動對兩側(cè)的壓電陶瓷(ci)片的作用是(shi)一緻的,所以(yi)S1與S2信号中所(suo)含幹擾信号(hao)🐕爲幅值、頻率(lü)與相🍉位都相(xiàng)同的共模信(xìn)号.在采用差(chà)動式電荷放(fàng)大前置放大(dà)電路中,輸出(chu)信号隻含🌈有(you)差模信号S1-S2,從(cong)而有效地抑(yì)制了振動幹(gan)擾.
 
2實驗結果(guo)
　　圖6與圖7分别(bie)爲傳統渦街(jiē)流量計與使(shǐ)用了懸浮式(shì)🔴差動傳感✨器(qi)的渦街流量(liàng)計在管道受(shou)到外力敲擊(jī)時的渦街流(liu)量信号(該信(xìn)号爲經差動(dòng)放大後的信(xin)号).由圖6可見(jiàn),傳統渦街🔴流(liu)量計對振動(dòng)🛀🏻非常敏感，渦(wō)街流量信号(hào)中疊加♋了很(hen)強的幹擾信(xìn)号.而在使用(yòng)了懸浮式差(chà)動傳感器的(de)渦街流量計(ji)🔞中,管道受到(dao)敲擊時的幹(gàn)擾😍被大大削(xuē)弱,在經差動(dòng)放大後幾乎(hu)沒有幹擾信(xin)号.
 
結論
　　爲了(le)使渦街流量(liàng)計能夠測量(liang)低流速、小流(liú)量的信号💋,必(bì)需👄盡🏃🏻‍♂️量提高(gao)有效流量信(xìn)号的幅值,而(er)降低幹擾噪(zào)🤟聲的幅值,即(jí)提🌍高信🍓号的(de)信噪比.我們(men)的工作針對(duì)一♋次儀表展(zhǎn)開,提出了一(yi)種新穎的傳(chuan)感器結構懸(xuán)浮式差動傳(chuan)感器.實驗證(zheng)明,該傳感器(qì)可使渦💞街信(xìn)号的信噪比(bǐ)大大提高,從(cong)而使現有渦(wo)街流量♈計的(de)抗幹擾性能(néng)得以極大的(de)🏃‍♀️改善.它對于(yu)渦🌍街流量計(jì)的理論研究(jiū)及工程應用(yong)都具⭐有重要(yao)的意義.

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