摘(zhai)要:采用壓(ya)電晶體傳(chuan)感器利用(yong)卡門渦街(jie)原理，一種(zhong)氣體流量(liang)計 的結構(gou)，分别對氣(qi)體流量測(ce)量儀結構(gou)的各個部(bu)分進行了(le)分析。并對(dui)壓電晶體(ti)産生的電(dian)荷信号進(jin)行處理，分(fen)析和設計(ji)各個環節(jie)的電路。該(gai)流量計所(suo)用檢測壓(ya)電元件💋不(bu)接觸氣體(ti)，适于惡劣(lie)環境、不易(yi)結垢，耐高(gao)溫、高壓、安(an)全防爆，适(shi)用于測量(liang)封閉管道(dao)的🐪氣體累(lei)計流量和(he)瞬時流量(liang)。
1氣體流量(liang)的測量方(fang)法
國内儀(yi)表市場氣(qi)體流量計(ji)常見的主(zhu)要是以下(xia)幾類：
（1）差壓(ya)式流量計(ji)
　　差壓式流(liu)量計 是以(yi)伯努利方(fang)程和流體(ti)連續性方(fang)程爲依據(ju)，根據節流(liu)原理，當流(liu)體流經節(jie)流件時(如(ru)标準孔闆(pan)、标準噴嘴(zui)、長徑噴嘴(zui)、經典文丘(qiu)利嘴、文丘(qiu)利噴嘴等(deng))，在其前後(hou)産生壓差(cha)，此差壓值(zhi)與該流量(liang)的㊙️平方成(cheng)正比。隻要(yao)能把節流(liu)機構前後(hou)的壓差p1-p2取(qu)出來，就可(ke)以測出流(liu)量。
（2）渦輪流(liu)量計
　　渦輪(lun)流量計 是(shi)比較正确(que)的一種流(liu)量檢測裝(zhuang)置。當流體(ti)流經渦輪(lun)流量傳感(gan)器時，在流(liu)體推力作(zuo)用下渦輪(lun)受力旋轉(zhuan)，其轉速與(yu)管💋道平均(jun)流速成正(zheng)比，渦輪流(liu)量計的理(li)論流量方(fang)程爲

　　式中(zhong)，nT爲渦輪轉(zhuan)速；qv爲體積(ji)流量；A爲流(liu)體物性(密(mi)度、粘度等(deng)㊙️)，渦輪結構(gou)參數(渦輪(lun)傾角、渦輪(lun)直徑、流道(dao)截面積等(deng))有關的參(can)數；B爲與渦(wo)輪頂隙、流(liu)體流速分(fen)布有關的(de)系數；C爲與(yu)摩擦力😘矩(ju)有關的系(xi)數❗。
（3）渦街流(liu)量計
　　渦街(jie)流量計 主(zhu)要用于工(gong)業管道介(jie)質流體的(de)流量測量(liang)，如氣體、液(ye)體、蒸氣等(deng)多種介質(zhi)。其特點是(shi)壓力損失(shi)小，量程範(fan)圍大，精度(du)高，在測量(liang)工況體積(ji)流量時幾(ji)乎不受流(liu)體密度、壓(ya)力、溫度、粘(zhan)度等參數(shu)的影響。無(wu)可動機✍️械(xie)零件，因此(ci)可靠性高(gao)，維護量小(xiao)，儀表參數(shu)能長期穩(wen)定。渦街流(liu)量計流量(liang)方程可用(yong)下式🌈表示(shi)

　　式中，f爲旋(xuan)渦的釋放(fang)頻率；v爲流(liu)過旋渦發(fa)生體的流(liu)體平均速(su)度📞；d爲旋渦(wo)發生體特(te)征寬度；St爲(wei)斯特羅哈(ha)數，無量綱(gang)，它的數值(zhi)範圍爲0.14－0.27。
（4）超(chao)聲波流量(liang)計
　　超聲波(bo)流量計 由(you)超聲波換(huan)能器、信号(hao)處理電路(lu)、單片機控(kong)制系統💜3部(bu)📞分組成。在(zai)有氣體流(liu)動的管道(dao)中，超聲脈(mo)沖順流傳(chuan)播的速度(du)要比逆🔴流(liu)時快。流過(guo)管道的氣(qi)體速度♈越(yue)快，超聲順(shun)流和逆流(liu)傳播的時(shi)間差越大(da)。分爲時✏️差(cha)式(測量順(shun)流和逆流(liu)傳播的時(shi)間差)、相差(cha)式(測量⭕順(shun)流和逆流(liu)傳播的相(xiang)位差)、頻差(cha)式(測🌈量順(shun)流和逆流(liu)傳播的循(xun)環頻率差(cha))、多普勒超(chao)聲波流量(liang)計(以物理(li)學中的多(duo)普勒效應(ying)爲工作原(yuan)理，适合于(yu)對兩相流(liu)的測量)。
（5）容(rong)積式流量(liang)計
　　容積式(shi)流量計又(you)稱排量流(liu)量計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱(cheng)PD流量計或(huo)PDF，在流⛹🏻‍♀️量儀(yi)表中是精(jing)度最高的(de)一類。它利(li)用機械測(ce)量元件把(ba)流體連續(xu)不斷地分(fen)割成單個(ge)已知的體(ti)積部分，根(gen)據計量室(shi)逐次、重複(fu)地充滿和(he)排放該體(ti)積📱部分流(liu)體的次數(shu)來測量流(liu)量❤️體積總(zong)量。容積式(shi)流量計的(de)理論流量(liang)計算公式(shi)

　　式中，q爲工(gong)況下的體(ti)積流量，m3/s；n爲(wei)旋轉體的(de)流速，周/s；V爲(wei)🔅旋轉🐆體🥵每(mei)轉一周所(suo)排流體的(de)體積，m3/周。
　　采(cai)用渦街流(liu)量計測量(liang)高溫氣體(ti)的流量，下(xia)面通過分(fen)析氣🐆體流(liu)量傳感器(qi)測量氣體(ti)的原理，設(she)計其結🙇🏻構(gou)部💰分，采用(yong)雙壓電晶(jing)體作爲傳(chuan)感技術，測(ce)量其頻率(lü)信号。
2渦街(jie)流量計工(gong)作原理與(yu)結構設計(ji)
2.1工作原理(li)
　　渦街流量(liang)計是利用(yong)流體力學(xue)中卡門渦(wo)街原理制(zhi)作的♌一種(zhong)儀表，如圖(tu)1所示。

　　把一個非(fei)線性對稱(cheng)形狀的物(wu)體（如圓柱(zhu)體、三角柱(zhu)體、矩形柱(zhu)體、六面柱(zhu)體等，以下(xia)簡稱漩渦(wo)發生體）垂(chui)🈲直插在管(guan)道中，流體(ti)🌈繞過漩渦(wo)發生體時(shi)，出現了附(fu)面層分📧離(li)，在漩渦發(fa)生體左右(you)兩側的後(hou)方會産生(sheng)漩渦，形成(cheng)渦列。
　　由于(yu)漩渦之間(jian)相互影響(xiang)，漩渦列一(yi)般是不穩(wen)定的🔆，但卡(ka)🏒門從📱理論(lun)上證明了(le)當兩漩渦(wo)列之間的(de)距離h與同(tong)列的🔅2個漩(xuan)🍉渦之間的(de)距離L滿足(zu)公式h/L=0.281時，非(fei)對稱的漩(xuan)渦列就能(neng)保持穩📞定(ding)。此時漩渦(wo)的♋頻率f與(yu)流體㊙️的流(liu)速及漩渦(wo)發生體的(de)寬度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻d有下(xia)述關系

式(shi)中
v1———柱體兩(liang)側處的流(liu)速(m/s)；
d———柱體迎(ying)流面最大(da)寬度(m)；
Sr———無量(liang)綱數，在柱(zhu)體形狀确(que)定後，在一(yi)定的雷諾(nuo)數範圍内(nei)爲常數，稱(cheng)爲斯特勞(lao)哈爾(Strouhal)數。
根(gen)據流動的(de)連續性，可(ke)知

式中
S1———柱(zhu)體兩側流(liu)通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流(liu)通面積(m2)；
v———管(guan)道内流體(ti)的平均流(liu)速(m/s)。
設流通(tong)面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認(ren)爲n=1-1.25d/D），則

2.2結構(gou)設計
　　氣體(ti)流量計由(you)傳感器和(he)轉換器2部(bu)分組成，如(ru)圖2所示。

　　圖中傳感(gan)器包括旋(xuan)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jian)測元件、儀(yi)👣表表體等(deng)😘；轉換器包(bao)括前置放(fang)大器、濾波(bo)整形電路(lu)、D/A轉換電路(lu)、輸出接口(kou)電路、端子(zi)、支架和防(fang)護罩等。旋(xuan)渦發生體(ti)是檢測器(qi)的主要部(bu)件，它與儀(yi)表的流量(liang)特性(儀表(biao)系數、線性(xing)💃度、範圍度(du)等)和阻力(li)特性(壓力(li)⁉️損失)密切(qie)相🌏關，應選(xuan)用優良的(de)材料，并使(shi)之具有良(liang)好的機械(xie)性能和抗(kang)腐蝕性能(neng)。
　　氣體流量(liang)計采用壓(ya)電元件作(zuo)爲檢測元(yuan)件。采用第(di)一🔱種檢測(ce)方式。檢測(ce)元件密封(feng)安裝在發(fa)生體内部(bu)，不接觸被(bei)測氣體。
3壓(ya)電晶體測(ce)量原理
3.1壓(ya)電傳感器(qi)的結構形(xing)式
　　在壓電(dian)傳感器中(zhong)，常采用2片(pian)或2片以上(shang)的壓電材(cai)料🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組合一(yi)起使用的(de)2種不同結(jie)構形式。一(yi)是2片壓電(dian)片負極都(dou)集中于中(zhong)間⭕電極上(shang)，而正極分(fen)别在上下(xia)2面電極上(shang)的并聯連(lian)接形式。此(ci)時，輸出電(dian)⚽容Ca'=nCa（n爲并聯(lian)壓電材料(liao)片數，Ca爲單(dan)片電容）；輸(shu)出電壓Ua'=nUa（Ua爲(wei)單🐕片的電(dian)壓🏒）；輸出電(dian)荷Q'=nQ（Q爲單片(pian)電荷）；二是(shi)各單片壓(ya)電元件正(zheng)負極性順(shun)序相❗連接(jie)的串聯連(lian)接方式。此(ci)時，輸出電(dian)荷Q'=Q（Q爲單片(pian)電✏️荷）；輸出(chu)電壓U'a=nUa(Ua爲各(ge)片的電🌍壓(ya))；輸出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片電(dian)容）。顯然，并(bing)聯💃接法的(de)輸出電荷(he)量大，本身(shen)的電容也(ye)大。因此，其(qi)時間常數(shu)大（τ=CaR），适宜于(yu)測量緩慢(man)變🔴化的信(xin)号，并且還(hai)适用于以(yi)電荷爲輸(shu)出🤞量的場(chang)合。
3.2壓電傳(chuan)感器的測(ce)量電路
　　由(you)于壓電傳(chuan)感器的内(nei)阻抗很高(gao)、輸出電信(xin)号很弱🔅，一(yi)般需将電(dian)😍信号經高(gao)輸入阻抗(kang)的前置放(fang)大器放大(da)再進行傳(chuan)輸、處理和(he)測量。前置(zhi)放大器的(de)主要作用(yong)是将壓電(dian)信📐号經過(guo)前置放🌍大(da)器的阻抗(kang)變換成低(di)阻抗輸☂️出(chu)，也起到放(fang)大弱信号(hao)的作用。壓(ya)電傳感器(qi)的輸出信(xin)号經過前(qian)置放大器(qi)的阻抗變(bian)換和放大(da)後，就可以(yi)✔️采⭕用一般(ban)的放大、檢(jian)波指示或(huo)通過功率(lü)放大至⭐紀(ji)錄和數據(ju)處理設備(bei)。
　　按照壓電(dian)式傳感器(qi)的工作原(yuan)理及其等(deng)效電路，傳(chuan)感器🧡可堪(kan)稱電壓發(fa)生器，也可(ke)以看作是(shi)電荷發生(sheng)器。因此前(qian)置放大器(qi)也有⚽2種形(xing)式：一種是(shi)電壓放大(da)器，一般稱(cheng)作阻🔞抗變(bian)換器，其輸(shu)出電壓與(yu)輸入電壓(ya)成比例；另(ling)✌️一種是電(dian)♊荷放大器(qi)，其輸出電(dian)壓與輸入(ru)🔞電荷成比(bi)例。
4結語
　　當(dang)前國内外(wai)幾種流量(liang)計應用的(de)基礎上，采(cai)取渦街流(liu)量💛計☂️測量(liang)流量的原(yuan)理測量高(gao)溫氣體的(de)流量。針對(dui)壓電傳感(gan)器進行分(fen)析，利用壓(ya)電晶體進(jin)行測量的(de)原理，并對(dui)其壓電傳(chuan)✊感器的結(jie)構形式進(jin)行分析。

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