摘要: 渦街(jiē)流量計 具有儀(yi)表系數與介質(zhi)無關的特性,可(kě)以使用常溫♌水(shui)介🔆質下的标定(dìng)公式,正确測量(liang)氫/氧火箭發動(dòng)機試驗中的流(liú)量參數。研究了(le)低溫渦街流量(liang)計 的關鍵技術(shu)，包括:低溫壓電(dian)陶瓷材料特性(xìng)、低溫渦🙇🏻街信号(hao)檢💋測、低溫渦街(jiē)信号調理技術(shu)以及低溫渦街(jiē)信号的DSP技術。最(zuì)後推出低溫渦(wō)街流量計樣機(ji),對⭕樣機進行了(le)常溫水介質的(de)标定，綜合精度(dù)達到0.5級。在某型(xing)号氫/氧火箭發(fa)動機試驗系統(tǒng)上,以分節式🈲液(yè)面計爲标準，對(duì)低溫渦街流量(liang)計樣機進行了(le)液💃🏻氮介質的比(bǐ)對試驗,其偏差(chà)爲0.65%,精度優于 渦(wō)輪流量計 。
引言(yán)
　　 在目前的氫/氧(yǎng)火箭發動機和(he)液氧/煤油火箭(jian)發動機試驗系(xi)統中,低溫推進(jìn)劑的流量測量(liang)主要采用👈渦輪(lun)流量計測量瞬(shùn)🔞時流🙇‍♀️量,用分節(jie)式電容液面計(jì)測量穩态流量(liang)。然而，渦輪流量(liàng)計用水♋進行标(biao)定在液氫、液氧(yang)下使用時誤差(chà)較大,分節式電(diàn)容液面計無法(fa)測量瞬時流量(liang)且成本昂貴。因(yīn)此,随着航天技(ji)💋術的發展,特别(bié)是大推力氫氧(yǎng)(液氧/煤油)火箭(jian)👉發動機的發展(zhǎn),必.須尋找一種(zhǒng)儀表系數📞與介(jiè)質無關、成本低(di)、精度高的瞬時(shi)低溫流量測量(liàng)裝置,而渦街流(liú)量計正是理想(xiang)的選擇。
　　根據渦(wō)街流量計的工(gong)作原理,在一定(dìng)雷諾數範圍内(nei),其輸出的頻率(lü)信号不受比如(rú)流體組分,密度(dù)、壓力、溫度的影(yǐng)響”，即儀其表系(xi)數隻與漩渦發(fa)生體及管道的(de)幾何尺🚶寸有關(guan)。因此,隻需在一(yi)🌍種典型介質中(zhong)标定即可适用(yòng)于各種介質,即(jí)當用于低溫測(ce)量🔞時,不進行低(dī)溫介質标定而(ér)用常溫水标定(dìng)即可達到一-定(dìng)的精度。
　　目前,常(chang)溫下的渦街流(liu)量計技術已相(xiàng)當成熟,形成了(le)系列産品,用于(yu)各種工業領域(yu)。國内外都有相(xiàng)當⭐數量的公司(sī)生産此🧑🏾‍🤝‍🧑🏼類産品(pǐn)。但用于低溫特(te)别是超低溫流(liú)體測量的渦街(jie)流量計國内尚(shang)無産品和文獻(xian)報導,國外已開(kai)展研究并有少(shǎo)量文獻🎯報導,還(hai)沒🐆有成熟的産(chan)品推向市場。
　　通(tōng)過理論分析和(he)試驗研究表明(míng),超低溫下渦街(jie)流量計的難點(diǎn)在于信号檢測(ce)器靈敏度低,信(xìn)噪弱。通過對壓(ya)電材料低溫特(te)性💯、檢測器結構(gòu)優化、弱信号提(ti)取等技術的研(yan)究，用🐉于超低溫(wen)流體測量的精(jīng)度高渦街流量(liàng)測量裝置樣機(ji),爲運載火箭發(fa)動機地💃🏻面試驗(yan)低溫流量測量(liàng)提供性能好、可(ke)靠性高、而又❄️價(jià)格便宜的⭐測量(liang)手段。
2渦街流量(liang)計的結構和工(gong)作原理
　　一般的(de)渦街流量計由(yóu)流量計殼體、漩(xuán)渦發生體、信号(hao)檢測❤️器、信号變(bian)換器和二次儀(yi)表組成,如圖1所(suǒ)示。
 
　　漩渦(wō)發生體用于産(chan)生穩定的漩渦(wō),一般采用三角(jiǎo)柱✌️體🤟,因爲三角(jiǎo)柱漩渦發生體(ti)是一種綜合性(xing)能比👈較優良的(de)🏃旋渦發生體,均(jun1)勻而嚴密的分(fèn)離機制,減小了(le)流👅.體的其他擾(rao)動和噪聲,使渦(wō)街信号既強烈(lie)👈又穩定,便于檢(jiǎn)測,合理設計尺(chi)😍寸可以得到高(gāo)穩定性的渦街(jiē)和量程比。正是(shi)這個原因,三🆚角(jiao)柱漩渦發生體(ti)是目前應用最(zui)廣泛的漩渦發(fā)生體形狀。信号(hào)檢測器放在漩(xuán)渦發生體後檢(jiǎn)測漩渦發生體(ti)尾流👈中的漩渦(wo)頻率。
　　渦街流量(liang)計流量信号檢(jian)測流程是:流量(liàng)-→漩渦頻率→檢測(ce)杆✊交變升力-+壓(ya)電陶瓷應力→交(jiao)變電荷→電荷放(fang)大器→濾波🏃整形(xing)→TTL方波🔞→測頻→顯示(shi)輸出流量。
3壓電(diàn)陶瓷的材料研(yán)究
　　壓電陶瓷作(zuò)爲渦街流量計(ji)的關鍵敏感元(yuán)件,其低溫🥵特性(xing)直接影響到流(liu)量計的性能，因(yin)此必須研究👄和(hé)選擇低溫下工(gong)作穩定、靈敏度(dù)高的材料。
　　随着(zhe)溫度的降低,壓(yā)電材料的性能(neng)特性會發生一(yi)定👄的☂️變化👉,并且(qie)由于制造方法(fǎ)和化學成分的(de)不同,不同☀️材料(liào)🔱性能随溫😄度的(de)改變也是不同(tóng)的。根據國外資(zī)料,對PZT-4、PZT-5.和PZT-8這♊幾種(zhong)材料的低溫性(xing)能✏️參數進行分(fèn)💋析,初步确定它(tā)們在低溫下能(néng)夠使用,但實際(ji)情況下信号的(de)強度和測量的(de)靈敏度還需通(tōng)過具體的試驗(yàn)來确定❓。
　　壓電陶(táo)瓷國内沒有低(di)溫産品,而且相(xiang)關科研機構🈲也(ye)沒有進行過相(xiàng)關研究,國外有(you)低溫産品和相(xiàng)關實驗資料,但(dan)價格昂貴,一般(ban)購買不到。與中(zhōng)科院矽酸鹽研(yán)究所合作,專門(men)配制了4種材料(liao)🌈的壓電陶瓷,分(fen)别是:
 
　　以上4種壓(ya)電陶瓷經過幾(ji)十次的“常溫→液(yè)氮→常溫"的反複(fu)⛱️升降溫🤩試驗後(hòu)發現壓電陶瓷(cí)的機械強度沒(mei)有太大的變化(huà),PZN的電容值變化(huà)較大(6:1),NB8的電容值(zhí)變化較大(3:1),其它(ta)2種電容變化較(jiào)小(2:1)。說明以上壓(ya)電陶瓷均可在(zài)低溫下使用,機(ji)械強度和🐇絕緣(yuán)性能♊沒有明顯(xiǎn)🏃🏻變化,但通過💜表(biao)面電容的🐕比較(jiào)認爲LBNN和PMS-5兩種較(jiao)好比較穩定。
4低(di)溫渦街信号檢(jian)測技術研究
4.1低(dī)溫信号檢測器(qi)的傳熱學設計(jì)[4)
　　低溫信号檢測(cè)器設計時,一方(fāng)面需要考慮其(qí)對低溫介😘質的(de)引人熱量,不能(néng)引起低溫介質(zhì)的顯著氣化,從(cóng)而影響漩渦的(de)穩定性和低溫(wen)推進劑的品質(zhi),造成無法測量(liang)或無法試驗;另(ling)一方面應盡量(liàng)使壓電陶瓷處(chu)🎯的溫度不要太(tài)低,從而降低對(duì)壓電陶瓷性能(neng)的要求🔅和提高(gāo)壓電陶瓷的使(shi)用壽命。
　　在設計(ji)時通過絕熱套(tào)筒減少熱量引(yǐn)人,通過加長杆(gan)使壓電💔陶💚瓷處(chu)溫度達到較爲(wèi)理想。通過傳熱(re)計算進行了💋參(can)數優化。傳熱計(jì)算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫(xiě),用于估算檢測(ce)杆溫度㊙️分布。
　　基(ji)本方程采用二(èr)維穩态熱傳導(dǎo)方程:
 
　　數值計算(suan)中采用控制容(rong)積離散化方程(chéng),即認爲在✍️一個(gè)小💞的✂️控制容積(jī)中,進出的淨熱(re)流量爲零。
　　該問(wen)題屬于第三類(lèi)邊界條件,即給(gei)定周圍流體的(de)溫度和換熱💔系(xi)數。以流體和檢(jiǎn)測杆接觸面爲(wei)例，如圖2,圖中:P、S、E、N爲(wei)網格點;T爲流體(ti)溫度,K。
 
　　控制體的(de)方向符合常規(gui)X軸、Y軸和Z軸定義(yi)。
　　式中:k爲控制容(rong)積間界面上的(de)當量導熱系數(shù),W/(m.K);△y爲一個單元控(kong)制體Y方向的長(zhǎng)度，mm;△x爲一個單元(yuán)控制體X方向的(de)長度,mm;1爲Z方🐅向的(de)長度,mm。
　　qn、、qs則有差别(bié),因爲其控制容(róng)積側面積變爲(wèi)内點的一半,即(jí):
 
　　式(6)就是檢測杆(gan)溫度分布計算(suàn)中第三類邊界(jiè)條件🔞在流體與(yu)杆端面接觸處(chu)的具體應用。
　　程(chéng)序中的數值計(jì)算方法主要采(cǎi)用了ADI方法。ADI方法(fǎ)就是分✊别㊙️沿軸(zhóu)⛷️向和徑向這兩(liang)個方向對整個(gè)溫度場做--次TDMA求(qiú)解。TDMA即三對角矩(ju)陣算法,在溫度(dù)場計算中用它(ta)來求解一維🙇🏻離(lí)散化方程。以上(shàng)方法均是數值(zhi)傳熱學中常用(yong)的方法❄️,在此不(bu)再詳細說明。
　　設(she)計了6個檢測器(qì)的結構方案,對(dui)其進行傳熱學(xué)計算,結果見表(biǎo)♻️2。
 
　　從計算結果看(kan),方案1.2.5可以爲壓(yā)電陶瓷提供較(jiào)好的工作溫度(du)。
　　此外,在不采用(yong)絕熱措施的情(qíng)況下估算的由(yóu)檢測杆🚶‍♀️進入流(liú)體中的熱流量(liàng)小于100W,而液氫的(de)燕發潛熱約爲(wèi)453.6J/g,顯然,由檢❓測杆(gǎn)進人流體中的(de)熱量相對于液(yè)氫的蒸發潛熱(rè)非常小，故這部(bù)分熱量🥰不會造(zào)成液氫的大量(liàng)氣化,因此不需(xū)要采用抽真空(kong)✏️絕熱,可以考慮(lü)設計絕熱套簡(jiǎn),以便更有效的(de)阻止熱量的流(liu)人。
4.2低溫信号檢(jiǎn)測器的動力學(xué)設計
4.2.1漩渦發生(sheng)體産生的漩渦(wo)升力估算
　　據流(liú)體力學知識:環(huán)流引起的流體(tǐ)對柱體的升力(lì)L可表示爲:
 
　　式中(zhōng)ρ爲流體密度,kg/m³;u爲(wei)來流的速度,m/s;r爲(wei)環量,m2/s;d爲漩渦發(fa)生體迎面寬⭕度(du),mm;D爲表體通徑,mm;b爲(wei)漩渦發生體縱(zòng)向尺寸,mm;CD爲阻力(li)系數,CL爲橫向升(sheng)力力系數。
　　ITOH&S.OHKI通過(guò)大量實驗,給出(chū)了3種截面形狀(zhuàng)(梯形、矩形、三角(jiao)形)的🏃‍♂️發💛生體在(zài)不同Re數下的CL值(zhi),梯形(就是習慣(guan)上所稱的三角(jiǎo)柱)的CL≈
2.3,基本爲一(yi)常量。
4.2.2信号檢測(cè)器的受力計算(suàn)
　　本研究的檢測(ce)杆置于漩渦發(fa)生體下遊一定(ding)距離✌️的位置,其(qi)上端與流動管(guǎn)道固定,下端爲(wei)自由端,因🏒而在(zài)受力分析時,可(ke)🎯以将系統簡化(huà)爲懸臂梁。如圖(tú)3所示。
 
　　通過柱體(ti)的受力分析,可(ke)知柱體上受到(dào)的大多數都👅不(bú)是集中力而是(shi)局部分布力，下(xià)面就以這種情(qíng)況來進行受力(lì)📐分析。
　　取x1、x2爲坐标(biāo),凡使微段沿順(shùn)時針方向轉動(dòng)的剪力爲正,使(shi)微🥰段彎⭐曲成凹(ao)形的彎矩爲正(zheng),由材料力學的(de)知識😍可以算得(dé)🏃(如圖3b所示):
 
 
　　式中(zhōng):d31爲極化方向與(yǔ)外力方向垂直(zhi)的壓電系數。
　　對(duì)6個設計方案的(de)計算結果見表(biǎo)3。
 
　　從計算結果可(kě)以看出,方案2.3.5的(de)電荷輸出最大(dà),結合傳熱🐇學計(ji)算結果,方案2.5較(jiào)爲理想。從結構(gou)上看,方案5比方(fang)案2結構簡🔅單,易(yì)于加工,因此最(zuì)終确定了檢測(ce)器的設計方案(àn)🔞爲方案5。方案5特(te)點爲:(1)采🚩用加長(zhang)杆設計;(2)不采用(yòng)抽真空絕熱,但(dan)增加絕熱套簡(jian);(3)對加長檢測杆(gan)結構的固有頻(pin)率進行估算,在(zai)500Hz以上，而渦街頻(pín)率則在40-100Hz這個範(fàn)圍内,判斷不會(hui)發生共振問題(tí)。
5低溫渦街信号(hào)調理技術研究(jiū)
　　由于壓電式信(xìn)号檢測器輸出(chu)電荷量的大小(xiao)與流體流速近(jin)🏒似成平方關系(xì)變化，因此輸出(chū)電壓信号的幅(fú)值變化範圍也(ye)相當大[5],此外,要(yao)求研制的渦街(jie)流量計既能用(yong)于試車的極低(dī)溫環境,又能用(yòng)于水介質标定(dìng)的常溫環境,而(er)渦街流量計檢(jiǎn)測探頭在極低(di)溫下的🈲輸出信(xin)号是常溫下的(de)1/5以💃下,因此要求(qiú)變送器的信号(hao)調理部分要能(néng)夠适應大範圍(wei)🚶‍♀️的信号幅值變(bian)化。在火箭發動(dong)機試車現場存(cun)在各種強振動(dòng)的幹擾,信噪比(bǐ)極差,因此還要(yao)求☂️其濾波電路(lù)是銳截止的窄(zhǎi)帶濾波器。目前(qian)流行的渦街流(liu)量計信号調理(lǐ)電路無法滿足(zu)要求。研制過程(chéng)♊中,通過各種.方(fang)案的比較和多(duō)次實驗改進,最(zuì)後确定在研制(zhi)的信号調理電(dian)路中應用ALC自動(dong)電平控制技術(shù)和高性能窄帶(dai)濾波技術。與YDN80-1樣(yàng)品連接,在流量(liàng)✍️塔進行現場調(diào)試,比較試驗證(zhèng)明,其性能優于(yu)國内其他型号(hào)渦街流量計。輸(shu)人信号在8m-2000mV有效(xiào)💛值範圍内的情(qíng)況下,該電路輸(shū)出信号基本穩(wěn)㊙️定在6000mV上。
6低溫渦(wō)街信号的DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shu)
6.1低溫渦街流量(liang)計噪聲分析
　　管(guǎn)道内介質流動(dòng)紊流、脈動、流場(chang)的不穩定及不(bú)均勻性對旋渦(wō)發生體施加不(bú)規則的附加作(zuo)用力。附.加作用(yòng)力引起的噪聲(shēng)的幅度.頻率均(jun1)不規則，帶有很(hěn)大的随機性。其(qi)結果相當于在(zai)渦街頻率信号(hào)中疊加了一個(gè)随機噪🚩聲。當噪(zào)聲頻率落人工(gōng)作頻段時,其影(ying)響難以消除。
　　有(you)些動力源，如水(shuǐ)泵、風機、壓縮機(ji)等工作時都會(hui)引起管道振動(dong)。若管道安裝不(bú)當,流體流動時(shí)管道有時會🧡自(zì)振。這些振動傳(chuán)遞到傳感器上(shàng)可造成漩渦發(fa)生體上産生附(fù)加的慣性應💯力(lì),形成⭐振動噪聲(shēng)。這些振動往往(wǎng)持續時間長或(huo)強度大,對渦街(jiē)流量計的影響(xiǎng)大。
　　壓電晶體輸(shū)出的電荷信号(hào)很弱.容易引人(rén)電磁串模或共(gong)模幹擾。
　　除上述(shù)外界産生的噪(zào)聲外,渦街本身(shen)還會産生低頻(pín)擺動和信💘号衰(shuāi)減,如圖5所示。
 
　　綜(zōng)上所述,渦街傳(chuán)感器輸出信号(hào)可由下式表示(shì):
y(t)=S(t)+n(t)
　　其中S(t)渦街頻率(lǜ)信号,n(t)爲随機幹(gan)擾信号,由于其(qi)成分複雜,頻譜(pu)🔴寬廣，處理是可(ke)假定爲零均值(zhi)的高斯分🛀布。圖(tú)6是微機采集到(dao)的經模拟濾波(bo)電路處理後的(de)渦街傳感器信(xin)号。由圖看出,用(yong)普通的模拟濾(lü)波和整形電路(lu)很難提取準确(que)可靠穩定的流(liú)量信号。

 
6.2DSP算法研(yan)究
　　深人分析發(fā)現渦街傳感器(qi)輸出信号中的(de)噪聲信号n(1)爲随(sui)機幹擾信号,處(chu)理時高于流量(liàng)計量程範圍的(de)頻率成分,可以(yǐ)通過前置模拟(nǐ)低通濾波電路(lù)加以消除,效果(guǒ)很好。但n(t)中處于(yu)量程範圍内的(de)頻率成分不可(ke)能通過模拟濾(lü)波器或常規數(shù)字🈲濾波器(如窄(zhǎi)帶濾波器)加以(yi)消除。
　　解決這個(gè)問題的途徑有(you)兩條:-是改進漩(xuán)渦發生體和信(xìn)号檢測器,也就(jiu)是改進傳感器(qì),使其輸出信号(hao)✍️的信噪比盡可(kě)能高;二是采用(yòng)數字信号處理(lǐ)方法,将渦街頻(pín)率信🛀🏻号從有噪(zao)聲的傳感器輸(shu)出信号中提取(qǔ)出來。
　　之前的研(yán)究基本上集中(zhong)在第一條途徑(jing)上,取得了一定(dìng)💛效果,但這畢竟(jing)是局部的,沒有(you)完全解決問題(tí),傳感器輸出信(xìn)号依♻️然不㊙️可避(bi)免地帶有大量(liàng)噪聲，在有幹擾(rao)的環☀️境下,渦街(jie)流量‼️計仍然🐪工(gōng)作不穩定,因此(ci)必須研究第二(èr)條途徑,目🈲前數(shù)字信号的處理(li)方法歸納起來(lái)主要包括:小波(bo)變換、自适應陷(xiàn)波濾波和頻譜(pu)分析方法。
　　小波(bō)變換可以看成(chéng)是一.組帶通濾(lǜ)波器,在低頻段(duàn)有很高📞的分辨(biàn)率,而在高頻段(duan)分辨率低，其實(shí)時性🤟和功🔅耗也(yě)都存在一定的(de)缺陷。自适應陷(xian)波針對不同頻(pin)率的信号建立(lì)不同參數的模(mo)型,在非整周期(qi)采樣、諧波和噪(zào)聲幹擾情況下(xià)📱頻率測量都能(neng)達到很好的精(jīng)度，但是如果流(liú)量信号發生🔴突(tū)變，而采樣頻率(lǜ)沒有及時跟蹤(zōng),就會造成較大(da)的測量誤差。譜(pǔ)🔞分析方法是近(jìn)年來的研究熱(re)點之一,經典譜(pu)分析算法對屬(shǔ)于正态分布的(de)噪聲有很好的(de)抑制作用🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,而且(qiě)易于編程實現(xian),但是在非整數(shù)周期采樣時誤(wu)差比較大,需要(yào)更多的計🏃‍♀️算和(he)操作來進行頻(pín)譜校正。而現代(dai)譜分析方法，也(yě)就是最大熵譜(pǔ)分析法更适合(hé)🔅處理短序列的(de)譜分析，對噪✔️聲(sheng)的抑制能力更(gèng)🏒強,精度也更高(gao)[6]。
　　本研究采用了(le)現代功率譜估(gu)計中的最大熵(shāng)譜估計法提取(qǔ)噪聲中的渦街(jiē)頻率。對設計的(de)算法進行計算(suàn)機仿真計算,結(jié)果如圖7所示。
 
　　由(yóu)計算結果可以(yǐ)看出,當信噪比(bi)爲1:0.5時普通變送(song)器的輸出就會(huì)産生數據不穩(wen)，當信噪比爲1:1時(shí),其輸出數據㊙️已(yǐ)基本不可用。而(er)采用研究的DSP算(suan)法,即使在信噪(zao)比爲1:10時仍能從(cong)頻域獲取有📐用(yòng)的渦街信号,從(cong)而獲得較爲準(zhǔn)确的流量數據(jù)。
7試驗驗證及效(xiao)果
　　推出低溫渦(wō)街流量計樣機(jī)DW-80,在流量塔對該(gai)樣機進☁️行了常(chang)溫水介質的标(biāo)定.綜合精度達(dá)到0.5級。
采用某型(xíng)号氫氧火箭發(fa)動機試驗系統(tong),以分節液❄️面計(ji)測得的流量爲(wei)标準,分别對低(di)溫渦街流量計(jì)和低溫渦輪流(liú)量計進行⛱️比對(dui)試驗，結果如下(xià):
 

　　從表中可見渦(wō)街流量計所測(cè)流量比液面計(ji)測的⭐流量數據(ju)平均偏大0.65%,而渦(wō)輪流量數據比(bi)液面計測的流(liu)🏃🏻‍♂️量數據平均偏(piān)大1.3%。若以液面計(jì)爲标準，則可以(yi)認爲渦街流量(liang)👈計的測量精度(du)優于渦🛀🏻輪流量(liàng)計。

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