摘(zhāi)要:采用壓(ya)電晶體傳(chuan)感器利用(yòng)卡門渦街(jie)原理，一種(zhong)氣體流量(liàng)計 的結構(gòu)，分别對氣(qi)體流量測(ce)量儀結構(gòu)的各個部(bù)分進行了(le)分⭐析💋。并對(duì)壓電晶體(ti)産生的電(diàn)荷信号進(jin)行處理，分(fen)析和設計(ji)各個環節(jiē)的電路。該(gai)流量計所(suǒ)用♻️檢測壓(ya)電元件不(bu)接觸氣體(tǐ)，适于惡劣(liè)環境、不易(yi)結垢，耐高(gāo)溫、高壓、安(ān)全🛀防爆，适(shì)用于測量(liàng)封閉管道(dào)的⁉️氣體累(lèi)計流量和(he)瞬時流量(liàng)。
1氣體流量(liàng)的測量方(fang)法
國内儀(yí)表市場氣(qi)體流量計(jì)常見的主(zhǔ)要是以下(xia)幾類：
（1）差壓(ya)式流量計(jì)
　　差壓式流(liu)量計 是以(yǐ)伯努利方(fang)程和流體(ti)連續性方(fāng)程爲依據(jù)，根據節流(liu)原理，當流(liú)體流經節(jie)流件時(如(rú)标準孔闆(pǎn)、标準噴嘴(zui)、長徑噴嘴(zui)、經典文丘(qiū)利嘴、文丘(qiū)利噴嘴等(deng))，在其前後(hou)産生壓差(cha)，此差壓值(zhi)與該流量(liàng)的平方成(chéng)正比。隻要(yào)能把節流(liu)機構前後(hòu)的壓差p1-p2取(qǔ)出來，就可(kě)以測出流(liú)量。
（2）渦輪流(liú)量計
　　渦輪(lun)流量計 是(shi)比較正确(què)的一種流(liu)量檢測裝(zhuang)置。當流體(ti)流經渦輪(lún)流量傳✏️感(gan)🌏器時，在流(liu)體推力作(zuò)用下渦輪(lun)受力旋轉(zhuan)，其轉速與(yǔ)管道平均(jun)流速成正(zhèng)比，渦輪流(liú)量計的理(lǐ)論流量方(fāng)程爲

　　式中(zhōng)，nT爲渦輪轉(zhuǎn)速；qv爲體積(ji)流量；A爲流(liu)體物性(密(mì)度、粘度等(deng))，渦輪結構(gou)參數(渦輪(lun)傾角、渦輪(lún)直徑、流道(dào)截面積等(děng)💋)有關的參(can)數；B爲與渦(wo)輪頂隙、流(liú)體流速分(fèn)布有關的(de)系數；C爲與(yǔ)摩擦力矩(ju)有關的系(xì)數。
（3）渦街流(liú)量計
　　渦街(jie)流量計 主(zhu)要用于工(gong)業管道介(jiè)質流體的(de)流量測量(liàng)，如氣體、液(ye)體、蒸氣等(deng)👅多種介質(zhì)。其特點是(shi)壓力損失(shi)小，量程範(fan)圍大，精度(du)高，在測量(liàng)工況體積(ji)流量時幾(jǐ)乎不受🔅流(liu)體密度、壓(ya)力、溫度、粘(zhān)度等參數(shù)的影響。無(wu)可動機械(xiè)零件，因此(cǐ)可靠性高(gāo)，維護量👣小(xiǎo)，儀表參🥰數(shù)能長期穩(wěn)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(liú)過旋渦發(fā)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(hā)💚數，無量綱(gāng)，它的數值(zhí)範圍爲0.14－0.27。
（4）超(chao)聲波流量(liàng)計
　　超聲波(bō)流量計 由(you)超聲波換(huan)能器、信号(hào)處理電路(lù)、單片機控(kong)制系統☎️3部(bù)分組成📐。在(zai)🛀🏻有氣體流(liú)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(guò)管道的氣(qì)體速度越(yuè)快，超聲順(shùn)流🆚和逆流(liú)傳播的時(shí)間差越大(da)。分爲時差(chà)式(測量順(shun)流和逆流(liu)傳播的時(shí)間差)、相差(chà)式(測量順(shun)流和逆流(liu)傳播的相(xiàng)位🔞差)、頻差(cha)式(測量順(shùn)流和逆流(liu)傳播的循(xún)環頻率差(chà))、多普勒😄超(chao)聲波流量(liang)計(以物理(lǐ)學中的多(duō)普勒效應(yīng)爲工作原(yuan)理，适合于(yú)對兩相流(liu)的測量)。
（5）容(róng)積式流量(liang)計
　　容積式(shi)流量計又(yòu)稱排量流(liú)量計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱(cheng)PD流量計或(huo)PDF，在流量🚶儀(yi)表中是精(jīng)度最高的(de)一類。它利(lì)用機械測(cè)量元件🈲把(bǎ)流體連續(xu)不斷地分(fèn)割成單個(ge)已知的體(ti)積部分，根(gen)據計量🤟室(shi)逐次、重複(fú)地🔴充滿和(he)排放該體(tǐ)積部分流(liú)體的次數(shu)來測量流(liú)量體積總(zǒng)量。容積式(shi)流量計的(de)理論流量(liàng)計算公🌈式(shì)

　　式中，q爲工(gong)況下的體(tǐ)積流量，m3/s；n爲(wèi)旋轉體的(de)流速，周/s；V爲(wei)旋轉體每(měi)轉一周所(suo)排流體的(de)體積，m3/周。
　　采(cǎi)用渦街流(liú)量計測量(liang)高溫氣體(ti)的流量，下(xia)面通過分(fen)析氣體流(liú)量傳感器(qì)測量氣體(ti)的原理，設(she)計其結構(gou)部分，采✌️用(yòng)雙壓電晶(jing)體👄作爲傳(chuán)感技術，測(cè)量其頻率(lǜ)信号。
2渦街(jie)流量計工(gōng)作原理與(yǔ)結構設計(jì)
2.1工作原理(lǐ)
　　渦街流量(liang)計是利用(yòng)流體力學(xue)中卡門渦(wo)街原理制(zhì)作的♌一種(zhǒng)儀表，如圖(tu)1所示。

　　把一個非(fēi)線性對稱(chēng)形狀的物(wu)體（如圓柱(zhu)體、三角柱(zhù)體、矩形柱(zhu)🈲體、六面柱(zhù)體等，以下(xia)簡稱漩渦(wo)發生體）垂(chuí)直插在管(guǎn)道中，流體(tǐ)🏃🏻繞過漩渦(wō)發生體時(shi)，出現了附(fu)面層分離(lí)，在漩渦發(fā)生體左右(you)兩側的後(hòu)方會産生(sheng)漩渦，形成(cheng)渦列。
　　由于(yú)漩渦之間(jiān)相互影響(xiǎng)，漩渦列一(yī)般是不穩(wěn)定的，但卡(ka)門從理論(lùn)上證明了(le)當兩漩渦(wo)列之間的(de)距離h與同(tóng)列的2個漩(xuán)渦之間的(de)距離L滿足(zú)公式h/L=0.281時，非(fēi)對稱的漩(xuán)渦列就能(neng)保持穩定(dìng)。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(shì)中
v1———柱體兩(liǎng)側處的流(liú)速(m/s)；
d———柱體迎(yíng)流面最大(da)寬度(m)；
Sr———無量(liang)綱數，在柱(zhu)體形狀确(què)定後，在一(yi)定的雷諾(nuò)數範圍💃🏻内(nei)爲常數，稱(cheng)爲斯特勞(láo)哈爾(Strouhal)數。
根(gen)據流動的(de)連續性，可(kě)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(tǐ)的平均流(liú)速(m/s)。
設流通(tōng)面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認(rèn)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(rú)圖2所示。

　　圖中傳感(gǎn)器包括旋(xuán)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jiǎn)測元件、儀(yi)表表🎯體等(děng)；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(kǒu)電路、端子(zi)、支架和防(fáng)護罩等。旋(xuan)渦發生體(ti)是檢測器(qì)的主要部(bu)件，它與儀(yi)表的流量(liang)特性(儀表(biǎo)系數、線性(xìng)度、範圍度(dù)💯等)和阻力(lì)特性(壓力(li)⭕損失)密切(qiē)相🈚關，應選(xuǎn)用優良的(de)材料，并❗使(shǐ)之具有良(liang)好的機械(xie)性能和抗(kàng)腐蝕性能(néng)。
　　氣體流量(liang)計采用壓(ya)電元件作(zuò)爲檢測元(yuán)件。采用第(di)一種檢測(cè)🔞方式。檢測(cè)元件密封(fēng)安裝在發(fā)生體内部(bù)，不接觸被(bèi)測氣體。
3壓(ya)電晶體測(cè)量原理
3.1壓(ya)電傳感器(qì)的結構形(xíng)式
　　在壓電(dian)傳感器中(zhōng)，常采用2片(pian)或2片以上(shang)的壓電材(cai)料組合一(yī)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(dōu)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(shàng)的并聯連(lián)接形式。此(cǐ)時，輸出電(diàn)容Ca'=nCa（n爲并聯(lián)壓🈲電材料(liào)片🏃🏻數，Ca爲單(dan)片電容）；輸(shu)出電壓Ua'=nUa（Ua爲(wèi)單片的電(diàn)壓）；輸出電(diàn)荷Q'=nQ（Q爲單片(piàn)電荷）；二是(shì)各單片壓(yā)電元件正(zheng)負☎️極性順(shun)序相連接(jie)的串聯連(lián)接方式。此(ci)時，輸出電(diàn)荷🌏Q'=Q（Q爲單片(piàn)電荷）；輸出(chu)電壓U'a=nUa(Ua爲❗各(gè)片的電壓(yā))；輸出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片電(dian)容）。顯然，并(bìng)聯🌏接法的(de)輸出電荷(he)㊙️量大，本身(shēn)的電容也(yě)大。因此，其(qí)時間常數(shù)大（τ=CaR），适宜于(yu)測量緩⭐慢(màn)變化的信(xìn)号，并且還(hái)适用于以(yǐ)電荷爲輸(shū)出量的場(chang)合。
3.2壓電傳(chuan)感器的測(cè)量電路
　　由(you)于壓電傳(chuan)感器的内(nei)阻抗很高(gao)、輸出電信(xìn)号很弱，一(yī)般💔需将✂️電(diàn)信号經高(gāo)輸入阻抗(kàng)的前置放(fàng)大器放👨‍❤️‍👨大(dà)再進行傳(chuán)輸、處理和(hé)測量。前置(zhì)放大器的(de)主要作用(yong)是将壓電(dian)信号經過(guo)前置放大(dà)器的阻抗(kàng)變換成低(di)阻抗輸出(chū)，也起到🧡放(fàng)大弱信号(hao)的作用。壓(ya)電傳感✍️器(qì)的輸出信(xin)号經過前(qián)置🈲放大器(qì)的阻⛷️抗變(biàn)換和放♊大(dà)後，就可以(yǐ)采用一般(bān)的放大☔、檢(jiǎn)波指示或(huo)通過功率(lü)放大至紀(jì)錄和數據(jù)處理設備(bèi)。
　　按照壓電(diàn)式傳感器(qì)的工作原(yuan)理及其等(deng)效電路，傳(chuan)感器可💃🏻堪(kān)稱🈲電壓發(fā)生器，也可(kě)以看作是(shì)電荷發生(shēng)器。因此前(qian)置放大器(qi)也有2種形(xíng)式：一種是(shi)電壓放大(da)器，一般稱(chēng)作阻抗變(biàn)換器，其輸(shu)出電壓🚶‍♀️與(yǔ)輸入電壓(ya)成比例；另(ling)🚶一種是電(diàn)荷放大器(qì)，其輸出電(dian)壓與輸入(rù)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(liú)量計測量(liàng)⛷️流量的原(yuan)理測量高(gao)溫氣體的(de)流量。針🔅對(dui)壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電傳感(gǎn)器進行分(fèn)析，利用壓(yā)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(jìn)行分析。

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