摘要:針(zhen)對渦街流(liu)量計 抗幹(gan)擾性能差(cha).量程窄的(de)問題，研制(zhi)了一種抗(kang)幹擾性♍能(neng)優的通♻️用(yong)渦街流量(liang)傳感器,從(cong)渦街信号(hao)的源頭加(jia)以改進，提(ti)高了渦街(jie)信号的信(xin)噪比和靈(ling)敏度;并對(dui)渦💔街流量(liang)傳感器輸(shu)出信号的(de)過程導線(xian)及初✍️級信(xin)号處理電(dian)路的信号(hao)屏蔽和保(bao)護措施加(jia)以改👨‍❤️‍👨進;研(yan)制的樣機(ji)經氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置等設備(bei)測試驗證(zheng),不僅能抵(di)抗1.5g以下的(de)機械振動(dong)幹擾,而且(qie)實現了大(da)于20:1的寬量(liang)程比性能(neng)。
0引言
　　渦街(jie)流量計是(shi)20世紀70年代(dai)才發展起(qi)來的一種(zhong)新型的流(liu)量儀表，因(yin)其有許多(duo)優點，吸引(yin)了國内外(wai)衆多研究(jiu)者和⚽企業(ye)的關🔞注，目(mu)前已發展(zhan)成爲主流(liu)流量㊙️儀表(biao)之一，但因(yin)起步晚👄、經(jing)驗不足，目(mu)前㊙️存在的(de)主要問題(ti)是量程不(bu)寬(10:1左右)、抗(kang)幹擾🔞性能(neng)差等⚽不足(zu)，因此對它(ta)的研究還(hai)在不斷地(di)進行，研究(jiu)者💁從許多(duo)方面🚩對其(qi)進行了🔆深(shen)人的研究(jiu):①旋渦發生(sheng)體的研究(jiu)葉;②壓電傳(chuan)感器✨探頭(tou)位置的研(yan)究一氣;③數(shu)字信号處(chu)理方法🛀🏻的(de)研究;，④渦街(jie)信号❌檢測(ce)方法的研(yan)究‼️121);⑤數🔆值仿(pang)真方✊法的(de)研究。
　　上述(shu)研究方向(xiang)多是的發(fa)生體結構(gou)、傳感器安(an)裝位🈲置或(huo)是❗在渦街(jie)電信号的(de)處理後期(qi)階段的方(fang)法研究，而(er)🌈對渦街電(dian)信号産生(sheng)的源頭即(ji)渦街流量(liang)傳感器本(ben)身及其輸(shu)出原始信(xin)号的保護(hu)方面研究(jiu)很少;渦街(jie)流量傳感(gan)器是渦街(jie)流量計的(de)最核心部(bu)件，它🚶的性(xing)能好壞直(zhi)接決定了(le)☀️渦街流量(liang)計的性能(neng)，而在此處(chu)的研究和(he)☔方法是有(you)效提升抗(kang)幹擾性能(neng)擴展量程(cheng)的關鍵點(dian)。
　　将工作重(zhong)點就放在(zai)這個關鍵(jian)點上,即在(zai)壓電傳感(gan)産生✔️信号(hao)🌐的源頭在(zai)抗振動和(he)屏蔽方面(mian)加以改進(jin)，一種🏃抗幹(gan)擾性能好(hao)、輸出壓電(dian)信号信噪(zao)比強的壓(ya)電式通💜用(yong)渦街流量(liang)傳感器叫(jiao)(簡稱壓電(dian)傳感器),如(ru)何提高傳(chuan)感器原始(shi)👉信号及其(qi)初級信号(hao)♋處理電路(lu)的信号屏(ping)蔽保護措(cuo)施。
1渦街流(liu)量計工作(zuo)原理
　　如圖(tu)1所示，管道(dao)中垂直插(cha)人一個三(san)角形柱狀(zhuang)的旋渦發(fa)生👈體🏃‍♀️，随着(zhe)流體流動(dong)，當管道雷(lei)諾數達到(dao)一定❓值時(shi)，在旋渦發(fa)生體兩側(ce)會交替地(di)産生有規(gui)則的旋渦(wo)，這種旋渦(wo)稱爲卡門(men)渦街。

設(she)旋渦發生(sheng)頻率爲f，旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面寬(kuan)度爲d,表體(ti)通徑🔞爲D,根(gen)據卡門渦(wo)街工作原(yuan)理，可知:
f=SrU/d(1)
　　式(shi)中:f爲旋渦(wo)頻率;Sr爲斯(si)特勞哈爾(er)數;U爲旋渦(wo)發生體兩(liang)🔴側🔴平均流(liu)速;d爲旋渦(wo)發生體迎(ying)流面寬度(du)。
　　流體産生(sheng)的這一漩(xuan)渦周期性(xing)的脫落引(yin)起對三角(jiao)柱和渦街(jie)傳感器探(tan)頭周期性(xing)的作用力(li)。根據熱力(li)學第一第(di)♋二定律和(he)庫塔儒科(ke)夫斯基升(sheng)力定理01,設(she)作用在旋(xuan)渦發🛀🏻生體(ti)上的升力(li)爲FL有:

　　式中(zhong):CL爲升力系(xi)數;p爲流體(ti)密度;U爲流(liu)體流速;A爲(wei)特征面積(ji)✊，即🤟升力作(zuo)用面積。由(you)于交替地(di)作用在發(fa)生體上升(sheng)⛷️力的🔅頻率(lü)就是旋渦(wo)的脫落頻(pin)率，通過壓(ya)電傳感器(qi)的探頭扁(bian)📱尾對FL升力(li)及其變化(hua)頻率的傳(chuan)感和檢測(ce)，即可得到(dao)f，再由式
(1)可(ke)得流體的(de)流速和體(ti)積流量。
　　從(cong)式(1)、(2)可以看(kan)出如何提(ti)高渦街流(liu)量計的抗(kang)振動性能(neng)和擴💜展🔞量(liang)程比，關鍵(jian)看壓電式(shi)渦街傳感(gan)器的探頭(tou)對F升力🌈檢(jian)測的能力(li)。是♻️在改進(jin)壓電式渦(wo)街流量傳(chuan)感器及其(qi)相關技術(shu)來提高傳(chuan)感器的測(ce)量小流量(liang)的信噪比(bi)和靈敏🌍度(du)。
2拓展量程(cheng)的研究方(fang)案和技改(gai)
2.1提高抗振(zhen)動性能的(de)研究和實(shi)現
　　由于流(liu)量計與管(guan)道法蘭式(shi)剛性連接(jie)，且流量計(ji)上壓電🈲式(shi)渦街流量(liang)傳感器探(tan)頭也是與(yu)表體剛性(xing)連接，管🔆道(dao)的振動會(hui)直🌈接傳導(dao)到壓電傳(chuan)感器探頭(tou)上，産生和(he)流量信号(hao)相同機理(li)的振動幹(gan)擾信号;另(ling)外，振動也(ye)會導緻壓(ya)電🤩傳感器(qi)的導線、導(dao)線♌端子與(yu)電路連接(jie)觸電等部(bu)位的振動(dong)，有可能通(tong)過某種機(ji)電傳感機(ji)理，轉換爲(wei)電噪聲。所(suo)以研究渦(wo)街傳感器(qi)自身的結(jie)構,提升自(zi)身抗振動(dong)性能是提(ti)高渦街流(liu)量計抗振(zhen)動幹擾性(xing)能的有效(xiao)方法。若等(deng)到振動幹(gan)擾信号都(dou)疊加在流(liu)量型号上(shang)了，再去想(xiang)盡各種辦(ban)法去剔除(chu)幹擾信号(hao)，即不經🔞濟(ji)，也不理想(xiang)。
　　爲此，采用(yong)了壓電傳(chuan)感器與旋(xuan)渦發生體(ti)(三角柱)分(fen)離型的結(jie)構方案，即(ji)研制了種(zhong)小尺寸懸(xuan)臂梁凹結(jie)構的壓電(dian)式通用渦(wo)街流量傳(chuan)感器(簡稱(cheng)壓電傳感(gan)器),壓電☁️傳(chuan)感器結構(gou)如圖2所示(shi)，由安裝法(fa)蘭盤、探頭(tou)扁尾、壓電(dian)元件、铠裝(zhuang)導線、密封(feng)罩、接線端(duan)子等組成(cheng)。壓電傳感(gan)器通過中(zhong)部的安裝(zhuang)法蘭盤與(yu)流量計殼(ke)體固定，下(xia)部的懸臂(bi)梁置于旋(xuan)渦發生體(ti)内的孔洞(dong)中，壓電傳(chuan)感器的探(tan)頭扁尾通(tong)過發生體(ti)兩側的側(ce)孔獲取旋(xuan)渦升力作(zuo)用。并傳感(gan)出相應的(de)渦街流量(liang)信号。在懸(xuan)臂梁内部(bu)，壓電元件(jian)機械封裝(zhuang)在探頭内(nei)空腔中，空(kong)餘空腔則(ze)無其它填(tian)充物。壓電(dian)元件通過(guo)剛性結構(gou)的铠裝導(dao)線将信号(hao)輸出到外(wai)部的接線(xian)端子上，再(zai)通過接線(xian)端子将信(xin)号輸出到(dao)外部信号(hao)☁️處理電路(lu)進行處理(li)。當管道流(liu)體因漩💋渦(wo)發生體産(chan)生渦街後(hou)，伴随産生(sheng)☀️的交變升(sheng)力F,作用在(zai)懸臂梁✂️下(xia)部的探頭(tou)扁尾上，懸(xuan)臂梁産生(sheng)💁變形并迫(po)使内部的(de)壓電元件(jian)也同步變(bian)形，從而産(chan)生出與交(jiao)變升力對(dui)應的電荷(he),通過後續(xu)的一💔系列(lie)信号處理(li)電💔路，最終(zhong)🐉獲得流量(liang)信息。

提高(gao)抗振動性(xing)能的設計(ji)方案及其(qi)分析:
(1)傳感(gan)器懸臂梁(liang)的探頭部(bu)分按現有(you)工藝和技(ji)術設計爲(wei)👄較👅小的外(wai)徑d和盡量(liang)短的長度(du)L,并且探頭(tou)内空腔采(cai)用抽真空(kong)💯無填充物(wu)封裝結構(gou)，這樣的結(jie)構保證了(le)該⛹🏻‍♀️探頭懸(xuan)臂梁的質(zhi)量最小，設(she)其✊等效重(zhong)心爲G點,質(zhi)量爲mc質點(dian)至支撐點(dian)距離爲L2管(guan)道振動加(jia)速度爲a,振(zhen)動加速🈚度(du)垂直于探(tan)頭軸線方(fang)向的分量(liang)爲α2,則💃管道(dao)振動幹🌐擾(rao)對懸臂梁(liang)的彎矩Mc公(gong)式爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公(gong)式(3)可知，由(you)于懸臂梁(liang)質量的客(ke)觀存在,所(suo)以振動☁️産(chan)生的幹擾(rao)彎矩必然(ran)存在，但可(ke)以減小懸(xuan)臂梁質量(liang)和等效重(zhong)心的力臂(bi)L2長度，在振(zhen)動幹擾強(qiang)度不變的(de)情況下，mc越(yue)輕,作用力(li)臂L2越🐆小,振(zhen)動幹擾産(chan)生的彎矩(ju)Mc就越小。
(2)如(ru)圖1所示，傳(chuan)感器探頭(tou)插人在發(fa)生體内的(de)孔洞中❗，僅(jin)♻️通🔞過發生(sheng)體兩側的(de)導壓孔傳(chuan)導出旋渦(wo)升力作用(yong)于探頭扁(bian)尾，其他部(bu)位不受力(li);如圖2所示(shi)，設旋渦升(sheng)力的🎯作用(yong)力臂爲L，旋(xuan)渦升力作(zuo)用點爲B,作(zuo)用力爲Fe1,此(ci)時傳感器(qi)僅B點受🤟旋(xuan)渦升力作(zuo)用，升力産(chan)生的彎☎️矩(ju)Mfea公式爲:
Mpel=FclL1(4)
由(you)公式(4)可知(zhi)，此時的力(li)臂L1最大，彎(wan)矩Mfel也最大(da)，此時壓電(dian)傳感器輸(shu)出的信号(hao)也最強。
(3)傳(chuan)感器内部(bu)信号導線(xian)采用剛性(xing)結構的铠(kai)裝導線，該(gai)☂️結構🏃🏻‍♂️可保(bao)證在機械(xie)振動傳感(gan)器導線不(bu)彎曲和不(bu)抖動，導線(xian)部分所等(deng)效的傳感(gan)器電容值(zhi)也會固定(ding)不變🏒，減少(shao)了因振動(dong)🛀🏻源引起的(de)電噪聲的(de)産生。
　　以上(shang)分析說明(ming)，該壓電式(shi)渦街流量(liang)傳感器感(gan)應旋渦升(sheng)力🌐性能強(qiang)，受管道振(zhen)動影響弱(ruo)。從根本上(shang)提高🧡了測(ce)量小流量(liang)👈的靈敏度(du)。
2.2提升抗電(dian)磁幹擾性(xing)能的研究(jiu)和實現
　　壓(ya)電式渦街(jie)流量傳感(gan)器在工作(zuo)時輸出的(de)電荷信号(hao)很📱弱，電🏃‍♂️壓(ya)峰峰爲毫(hao)伏級，并且(qie)工作在非(fei)諧振狀态(tai)，極易受👉空(kong)間中的電(dian)磁幹擾後(hou)衰減，所以(yi)傳感器的(de)制作既要(yao)保證它很(hen)高的輸人(ren)阻抗，同時(shi)還需有良(liang)好的屏蔽(bi)和接地要(yao)求，以防止(zhi)漏電流引(yin)起的電🚩荷(he)信号衰減(jian)和電磁幹(gan)擾進人電(dian)荷放🌈大器(qi)的輸人🥰端(duan)。爲此，研制(zhi)🌂的☁️這種通(tong)用渦街流(liu)量傳感器(qi)及其信号(hao)處理電路(lu)采用了如(ru)下的屏蔽(bi)工藝等技(ji)術方法:
(1)傳(chuan)感器探頭(tou)體内的元(yuan)件封裝采(cai)用無任何(he)填充料的(de)結構,并且(qie)采用高溫(wen)加熱和抽(chou)真空狀态(tai)下對傳感(gan)器進行氩(ya)弧焊接⁉️封(feng)裝，該傳感(gan)器具有常(chang)溫下104MΩ以上(shang)絕緣阻抗(kang)和🐕300℃高溫下(xia)✨100MΩ絕緣阻抗(kang)。
(2)傳感器輸(shu)出導線采(cai)用硬質純(chun)鎳質内芯(xin)的金屬铠(kai)裝線結構(gou)，傳感器自(zi)身的屏蔽(bi)效果最好(hao);
(3)傳感器探(tan)頭内成安(an)裝的對壓(ya)電元件采(cai)用差動信(xin)号輸出接(jie)線方式，并(bing)且其中一(yi)極與傳感(gan)器的金屬(shu)外殼可靠(kao)🆚接地;
(4)傳感(gan)器末端導(dao)線接線端(duan)與電荷放(fang)大輸入電(dian)路連接部(bu)分也全部(bu)采用剛性(xing)金屬屏蔽(bi)單防護工(gong)藝;
(5)信号處(chu)理電路中(zhong)将初級電(dian)荷放大電(dian)路和二二(er)級放大濾(lü)波電🈲路設(she)計成獨立(li)的電路模(mo)塊并且也(ye)封閉安裝(zhuang)在一個金(jin)屬屏蔽🈲罩(zhao)内與其他(ta)電路特别(bie)是數字電(dian)路隔離開(kai)來，防止了(le)後級數字(zi)電路及其(qi)他🚶空間電(dian)磁場的幹(gan)擾。傳感器(qi)及其初級(ji)信号處理(li)電💋路的結(jie)構圖如圖(tu)3所示。

　　屏蔽(bi)可以用控(kong)制電場或(huo)磁場從空(kong)間的一個(ge)或到另一(yi)個⚽區或的(de)傳播，這是(shi)克服電場(chang)耦合幹擾(rao)、磁場耦合(he)幹擾以及(ji)電磁輻射(she)幹擾的最(zui)有效手段(duan)啊。屏☁️蔽的(de)目的是利(li)用導電材(cai)料或高導(dao)磁率材料(liao)來減小磁(ci)場、電場或(huo)電磁場的(de)強度🐉。屏蔽(bi)可以應用(yong)于噪聲源(yuan)，通過用屏(ping)蔽材料把(ba)幹擾源包(bao)圍起來以(yi)減弱幹擾(rao)磁場的強(qiang)度，屏蔽也(ye)可以應用(yong)于需要抑(yi)🚩制噪🔱聲的(de)敏感元件(jian)和檢測電(dian)路,通過用(yong)屏蔽材料(liao)把敏感🤞元(yuan)件和電路(lu)包圍起來(lai)以減弱電(dian)路附近的(de)場強。屏蔽(bi)的範👨‍❤️‍👨圍可(ke)以是電纜(lan)、個别器件(jian)、部分電路(lu)或整⚽個電(dian)路系統。總(zong)之屏蔽對(dui)于削弱或(huo)切斷電場(chang)、磁場與電(dian)磁輻射❗三(san)種幹擾耦(ou)合方式都(dou)是行之有(you)效的㊙️。
3樣機(ji)測試
　　根據(ju).上述研究(jiu)和技改方(fang)案，制作了(le)DN150、DN200和DN250三種大(da)口徑🏒各10台(tai)樣機，三種(zhong)樣機在50Hz、1.5g機(ji)械振動條(tiao)件下測試(shi),輸出信号(hao)頻率爲零(ling)♋,樣機在标(biao)準表法氣(qi)體流量标(biao)準裝置上(shang)用常溫常(chang)壓下空👌氣(qi)流量标定(ding)，量程比達(da)到20:1以上，1.0級(ji)精度合格(ge)。其中DN150口徑(jing)一台😘樣機(ji)的測試數(shu)據如♉下表(biao)2,最小流💃🏻速(su)測到了2m/s,量(liang)😍程比擴展(zhan)到30:1。

4結束語(yu).
　　機械振動(dong)幹擾和電(dian)磁幹擾時(shi)對渦街流(liu)量計性能(neng)影✉️響的🏒主(zhu)要因素，直(zhi)接限制了(le)量程下限(xian)，影響了渦(wo)💋街流量計(ji)在低‼️流速(su)、小流量時(shi)的計量性(xing)能。通過從(cong)渦街信🌍号(hao)産生的源(yuan)頭做起，研(yan)制了一種(zhong)抗幹擾性(xing)能好的通(tong)用型渦街(jie)流量傳感(gan)器，以及對(dui)禍街信号(hao)第一級傳(chuan)輸⭕導線和(he)前置🈲放大(da)處理電路(lu)等的可靠(kao)屏蔽保護(hu)改進🤞措施(shi)的兩項研(yan)究和實現(xian)，研制😍的DN150口(kou)徑樣機在(zai)氣體流量(liang)标準裝置(zhi)上常💔溫常(chang)壓空氣标(biao)🌈定量程範(fan)圍超過20:1,可(ke)🆚測最大流(liu)量達到4100m3/h(60m/s),最(zui)小流速已(yi)測到2m/s,實現(xian)了寬量程(cheng)性能;

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