摘要:針對渦(wo)街流量計
抗幹擾(rao)性能差.量程窄的(de)問題，研制了一種(zhǒng)抗幹擾性能優的(de)㊙️通用渦街流量傳(chuán)感器,從渦街信号(hao)的源頭加以改進(jin)，提✍️高了渦街信号(hào)的信噪比和靈敏(min)度;并對渦街流量(liàng)傳感器🔆輸出信号(hào)的過💜程導線及初(chū)級信号處❌理電路(lù)的信号屏蔽🚩和保(bǎo)護措施加以改進(jin);研制的樣☀️機經氣(qi)體流量标準裝置(zhì)等設備測試驗證(zhèng),不僅能抵抗1.5g以下(xià)的機械振動幹擾(rǎo),而且🐇實現了大于(yú)20:1的🤩寬量程😍比性能(neng)。
0引言
渦街流量計(ji)是20世紀70年代才發(fā)展起來的一種新(xin)型📱的流量儀表🐕，因(yin)其有許多優點，吸(xi)引了國内外衆多(duō)研究者和企業的(de)關注，目前已發展(zhǎn)成爲主流流量儀(yi)表之一，但因起步(bù)晚、經驗不足，目前(qian)存在的主要問題(ti)是量程不寬(10:1左右(yòu))、抗幹擾性能差等(děng)不足，因此對它的(de)研究還在不斷地(di)❗進行，研究者從許(xǔ)多方面對其進行(háng)了深人的研究:①旋(xuan)渦發生體的研究(jiū)葉;②壓電傳感器探(tan)頭位置的研究一(yi)氣;③數字信号處理(li)方法🔞的研究;，④渦街(jiē)信号檢測方法的(de)研究121);⑤數值仿真方(fang)法的研究。
上述研(yán)究方向多是的發(fā)生體結構、傳感器(qì)安裝位置或是🌈在(zài)渦街電信号的處(chu)理後期階段的方(fāng)法研究，而對渦街(jiē)電⚽信号産生💯的源(yuan)頭即渦街流量傳(chuán)感🔞器本身及其輸(shū)✔️出原始信号的保(bǎo)護方面研究很少(shao);渦街流量傳感器(qì)是渦街流量計的(de)最核心部件，它✍️的(de)性能好壞直接決(jué)定了渦街流量計(ji)的性能，而在‼️此處(chu)的研究和方法是(shi)有效提升抗幹擾(rǎo)性能擴展🈲量程的(de)關鍵點。
将工作重(zhong)點就放在這個關(guān)鍵點上,即在壓電(dian)傳感産生信号的(de)源頭在抗振動和(he)屏蔽方面加以改(gai)進❗，一種抗幹擾性(xìng)能好、輸出壓電信(xin)号信噪比強的壓(ya)電式通用渦街🌈流(liu)量傳感器叫(簡稱(cheng)壓電傳感器),如何(hé)提高傳感器原始(shǐ)信号及其初級信(xin)号處理電路的信(xìn)号屏蔽保護措施(shi)。
1渦街流量計工作(zuò)原理
如圖1所示，管(guǎn)道中垂直插人一(yī)個三角形柱狀的(de)旋🏃♀️渦發生體，随着(zhe)流體流動，當管道(dào)雷諾數達到一定(dìng)值時，在旋渦發生(sheng)體兩側會交替地(dì)産生有規則的旋(xuan)渦，這種旋渦稱爲(wei)卡🐉門渦街。
設(she)旋渦發生頻率爲(wèi)f，旋渦發生體迎流(liu)面寬度爲d,表體通(tōng)徑爲D,根據卡門渦(wō)街工作原理，可知(zhī):
f=SrU/d(1)
式中:f爲旋渦頻率(lü);Sr爲斯特勞哈爾數(shù);U爲旋渦發生體兩(liǎng)側平🎯均流速;d爲旋(xuán)渦發生體迎流面(miàn)寬度。
流體産生的(de)這一漩渦周期性(xìng)的脫落引起對三(san)角柱和渦街🔞傳感(gan)器探頭周期性的(de)作用力。根據熱力(lì)學第✊一第二定💁律(lü)和庫塔儒科夫斯(si)基升力定理01,設作(zuo)用在旋渦發生體(tǐ)上的升力爲FL有:
式(shì)中:CL爲升力系數;p爲(wei)流體密度;U爲流體(tǐ)流速;A爲特征面積(jī)，即升📐力作用面積(jī)。由于交替地作用(yong)在發生體上升力(li)的頻率就是🌈旋渦(wō)的脫落頻率，通過(guo)壓電傳🥰感器的探(tan)頭扁尾對FL升力及(jí)其變化頻率的傳(chuán)感和檢測，即可得(dé)到f，再由式
(1)可得流(liu)體的流速和體積(ji)流量。
從式(1)、(2)可以看(kàn)出如何提高渦街(jie)流量計的抗振動(dòng)性👉能和擴展量程(chéng)比，關鍵看壓電式(shì)渦街傳感器的探(tan)頭對F升力檢測的(de)能力。是在改進壓(ya)電式渦街流量☁️傳(chuán)感器及其相關技(jì)術來提高傳感器(qì)的測量小流量的(de)信噪比和靈敏度(dù)。
2拓展量程的研究(jiū)方案和技改
2.1提高(gao)抗振動性能的研(yan)究和實現
由于流(liú)量計與管道法蘭(lan)式剛性連接，且流(liú)量計上壓電式渦(wo)街流量傳感器探(tàn)頭也是與表體剛(gāng)性連接，管道的振(zhen)動❄️會直接傳導到(dao)壓電傳感器探頭(tou)上，産生和❤️流量信(xìn)号相同🍓機理的振(zhèn)動幹擾信号;另外(wài)，振動也會導緻壓(yā)電傳感器的導線(xian)、導線端子與電🆚路(lu)連接觸電等部位(wei)的振㊙️動，有可能通(tōng)❄️過某種機電🏃傳感(gan)機理，轉換爲電噪(zào)聲。所以研究渦街(jie)傳感器自身的結(jie)構,提升自身抗振(zhen)動性能是提高渦(wō)街流量計抗振動(dòng)幹擾性能的有效(xiào)方法。若等☎️到🧑🏽🤝🧑🏻振動(dòng)幹擾👈信号都疊加(jiā)在流量型号上了(le)，再去想盡各種辦(bàn)法去剔除幹擾信(xin)号，即不經濟，也不(bu)理想。
爲此，采用了(le)壓電傳感器與旋(xuán)渦發生體(三角柱(zhu))分離型的結構方(fang)案，即研制了種小(xiao)尺寸懸臂梁凹結(jie)構的壓電式通用(yòng)渦街流量傳感器(qì)(簡稱壓電傳感器(qì)),壓電傳感器結構(gòu)如圖2所示，由安裝(zhuang)法蘭盤、探頭扁尾(wei)、壓電元件、铠裝📱導(dǎo)線、密封罩、接線端(duān)子等組成。壓電傳(chuán)感器通過中部的(de)安裝法蘭盤與流(liu)量計殼體固定，下(xia)部🔴的懸臂梁置于(yu)旋渦發生體内的(de)孔洞中，壓電傳感(gan)器的探頭扁尾通(tong)過發生體兩側的(de)側孔獲取旋渦升(shēng)力作用。并傳感出(chū)相應的渦街流量(liàng)信号。在懸🈲臂梁内(nei)部，壓💃🏻電元件機械(xie)封裝在探👌頭内空(kong)腔中，空餘空腔🏃🏻則(zé)無其它填充物。壓(ya)電元件通過剛性(xìng)結構的🔞铠裝導線(xiàn)将信号輸出到外(wài)部的接線端子上(shàng)，再通過接線端子(zi)🛀🏻将信号輸出到外(wài)部信号處理電路(lu)🚶♀️進行處理。當管道(dao)流體因漩渦發生(shēng)體産生渦街後，伴(bàn)随産生的交變升(sheng)力F,作用在懸臂梁(liang)下💋部的探頭扁尾(wei)上，懸臂梁産生變(bian)形并迫使内部的(de)🌈壓電元件也🈲同步(bu)變形，從而産生出(chu)與交‼️變升力對應(ying)的電荷,通過後續(xu)的一系列信号處(chu)理電路，最終獲得(dé)流量信息。
提高抗(kàng)振動性能的設計(ji)方案及其分析:
(1)傳(chuán)感器懸臂梁的探(tàn)頭部分按現有工(gong)藝和技術設計爲(wèi)較🈲小的外徑d和盡(jìn)量短的長度L,并且(qiě)探頭内空🌐腔采用(yòng)抽真空無填🙇🏻充物(wu)封裝結構，這樣的(de)結構保證了該探(tàn)頭懸臂梁的質量(liàng)最小，設其等效重(zhong)心爲G點,質量爲mc質(zhi)點至支撐點距離(li)㊙️爲L2管道振動加速(sù)度爲a,振動加速度(dù)垂直于探頭軸線(xiàn)方向的分量爲α2,則(zé)管道振動幹☀️擾對(dui)懸臂梁的彎矩Mc公(gong)式爲:
Mg=mGa2L2(3)
由公式(3)可知(zhī)，由于懸臂梁質量(liàng)的客觀存在,所以(yǐ)振✌️動産㊙️生的幹🤩擾(rǎo)彎矩必然存在，但(dàn)可以減小懸臂梁(liang)質量和等效重心(xin)的力臂L2長度，在振(zhèn)動幹擾強度不變(biàn)的情況下，mc越輕,作(zuò)用力臂L2越小,振動(dong)幹擾産生的彎矩(ju)Mc就越小。
(2)如圖1所示(shì)，傳感器探頭插人(ren)在發生體内的孔(kǒng)洞中🐉，僅♍通過發生(shēng)✔️體兩側的導壓孔(kong)傳導出旋渦升力(lì)作📐用于💋探頭扁尾(wěi)，其他部位不受力(li);如圖2所示，設旋渦(wō)升力的作用力臂(bì)爲L，旋渦升力作用(yòng)點爲B,作用力爲Fe1,此(cǐ)時傳感器僅B點受(shou)旋渦升力作用，升(shēng)力産生的彎矩Mfea公(gōng)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知(zhi)，此時的力臂L1最大(dà)，彎矩Mfel也最大，此時(shi)壓電傳感器輸出(chū)的信号也最強。
(3)傳(chuan)感器内部信号導(dǎo)線采用剛性結構(gòu)的铠裝導線，該結(jié)構可保證在機械(xie)振動傳感器導線(xian)不彎曲和不抖動(dong)，導線部分所等效(xiào)的傳感器電容值(zhí)也會固定不變，減(jiǎn)少了因振動🚶源引(yǐn)起的電噪聲的産(chǎn)生。
以上分析說明(míng)，該壓電式渦街流(liú)量傳感器感應旋(xuan)渦🧡升力性能強，受(shou)管道振動影響弱(ruò)。從根本上提高了(le)測🈲量小流量的靈(ling)敏度。
2.2提升抗電磁(cí)幹擾性能的研究(jiū)和實現
壓電式渦(wō)街流量傳感器在(zai)工作時輸出的電(diàn)荷信号很弱，電壓(ya)峰峰爲毫伏級，并(bìng)且工作在非諧振(zhèn)狀态，極易受空間(jiān)中的電磁幹擾後(hou)衰減，所以傳感器(qi)的制作既要保✏️證(zhèng)它很高的輸人阻(zǔ)抗，同時還需有良(liáng)好的屏蔽和接地(dì)要求，以防止漏電(dian)流引起的電荷信(xìn)号衰減和電磁幹(gàn)擾進人電荷放大(da)器的輸人🐇端。爲此(cǐ)，研制的這種通用(yòng)渦街流量傳感器(qì)及🈲其信🍓号處理電(diàn)🈲路采用了如下的(de)屏蔽工藝等技術(shu)方法♋:
(1)傳感器探頭(tou)體内的元件封裝(zhuāng)采用無任何填充(chōng)料的結構😍,并且采(cǎi)用高溫加熱和抽(chōu)真空狀态下對傳(chuan)感器進行氩弧焊(hàn)接封裝，該傳感器(qi)具有常溫下104MΩ以上(shang)絕緣阻抗和300℃高溫(wēn)下🤟100MΩ絕緣阻🙇🏻抗。
(2)傳感(gan)器輸出導線采用(yòng)硬質純鎳質内芯(xīn)的金屬铠裝🐇線結(jie)🈲構☔，傳感器自身的(de)屏蔽效果最好;
(3)傳(chuán)感器探頭内成安(ān)裝的對壓電元件(jiàn)采用差動信号輸(shū)❌出接線方式，并且(qiě)其中一極與傳感(gǎn)器的金屬✨外殼可(ke)靠接地☀️;
(4)傳感器末(mò)端導線接線端與(yǔ)電荷放大輸入電(diàn)路連接部分也全(quan)部采用剛性金屬(shu)屏蔽單防護工藝(yi);
(5)信号處理電路中(zhong)将初級電荷放大(dà)電路和二二級放(fàng)大👈濾波電路設計(jì)成獨立的電路模(mó)塊并且也封閉安(ān)🏃🏻裝在一個金屬❤️屏(ping)蔽罩内與其他電(diàn)路特别是數字電(diàn)路隔離開來，防止(zhǐ)了後級數字電路(lù)及其他空間電磁(ci)場的幹擾🙇🏻。傳感器(qi)及其初級信号處(chu)理電🌍路的結構圖(tu)如圖3所示。
屏蔽可(ke)以用控制電場或(huò)磁場從空間的一(yi)個或到🙇🏻另一個🈲區(qu)或☀️的傳播，這是克(ke)服電場耦合幹擾(rao)、磁場耦合幹擾以(yǐ)及電磁輻射幹擾(rao)的最有效手段啊(a)。屏蔽的目的是利(lì)用導電材料或高(gao)導磁率材料來減(jiǎn)小磁場、電場或電(dian)磁場的強度。屏蔽(bi)可以應用于噪聲(shēng)源，通過用🔞屏蔽材(cái)料把幹擾源包圍(wéi)起來以減弱幹擾(rǎo)磁場的強♉度，屏蔽(bì)也可以應用于需(xu)要抑制噪聲的敏(mǐn)感元件和檢測電(dian)路,通過用屏蔽材(cai)料把敏感元件和(hé)電路包圍起來以(yǐ)減弱電路附近的(de)場強。屏蔽的範圍(wei)可以是電纜、個别(bie)器件、部分電路或(huo)整👄個電路系統。總(zong)之屏蔽對⭕于削弱(ruò)或切斷電場、磁場(chǎng)與電磁輻射三種(zhong)幹擾耦合🐕方式都(dōu)是行之有效的🧡。
3樣(yàng)機測試
根據.上述(shù)研究和技改方案(an)，制作了DN150、DN200和DN250三種大(dà)口徑各10台樣機，三(sān)⭐種樣機在50Hz、1.5g機械振(zhèn)動條件下測試,輸(shu)出信号頻率爲零(ling),樣機💰在标準表法(fa)氣體流量标準裝(zhuāng)💋置上用常溫常壓(yā)下空氣流量标定(ding)，量程比達到20:1以上(shang)，1.0級精度合格。其中(zhong)DN150口徑一台樣機的(de)測試數據如🔱下表(biao)2,最小流速測到了(le)2m/s,量程比擴展到30:1。
4結(jié)束語.
機械振動幹(gàn)擾和電磁幹擾時(shí)對渦街流量計性(xing)能影🔆響‼️的主要❤️因(yin)素，直接限制了量(liàng)程下限，影響了渦(wō)街流量計在低流(liú)速、小流量時的計(ji)量性能。通過從渦(wō)街信号産生的源(yuán)頭做起，研制了一(yī)種抗幹擾性能好(hao)的通用型渦街流(liú)量傳感器，以及對(duì)禍街信号第一級(jí)傳輸導線和前置(zhì)⭐放大處理電路等(deng)的可靠🐪屏蔽保護(hù)改🍓進措施的兩項(xiàng)研究和實現，研制(zhi)的DN150口徑樣機在氣(qi)體流量标準裝置(zhi)上常❄️溫常壓空氣(qi)标🍓定量程範圍超(chāo)過20:1,可🐕測最大流量(liang)達到4100m3/h(60m/s),最小流速已(yi)測到2m/s,實現🌈了寬量(liàng)程性能;
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