摘(zhai)要：針對(duì)渦街流(liu)量計 抗(kang)幹擾性(xing)能差的(de)缺點,設(she)計了一(yī)種新的(de)傳感器(qi)結構一(yi)✊一💯懸浮(fú)🎯式差動(dòng)傳感器(qi),使流量(liàng)計一次(cì)儀表輸(shu)出信号(hào)的信噪(zào)比大🏃‍♂️大(dà)提高.實(shí)驗結果(guǒ)表明,采(cai)用此🔆種(zhǒng)傳感器(qì)結構的(de)渦街流(liu)量計的(de)抗千擾(rǎo)性能得(de)到顯著(zhe)改善.
　　渦(wō)街流量(liàng)計是利(lì)用旋渦(wo)脫離誘(you)發流體(tǐ)振動的(de)原理實(shí)現流量(liang)的計量(liàng),其主要(yào)特點是(shì):無運動(dong)部件，因(yīn)此不💋必(bi)考慮流(liu)體中雜(za)質對流(liú)量計的(de)物理損(sǔn)害,從而(er)極大地(dì)拓展了(le)精密流(liu)量計的(de)應用範(fàn)圍,并有(you)良✍️好的(de)線性度(dù)、較大的(de)量程和(he)很強的(de)介質适(shì)應性,可(ke)用于不(bu)同流體(tǐ)的穩态(tai)和瞬态(tài)流量的(de)計量.此(ci)外，它還(hái)有具有(yǒu)壓力損(sǔn)失小、可(ke)靠性高(gāo)、維護方(fāng)便和不(bu)受流體(tǐ)組成、密(mi)度、溫♈度(du)、壓力⁉️影(ying)響等優(yōu)點,是測(ce)量氣體(ti)、液體、蒸(zhēng)汽、混合(hé)型和🍓腐(fu)蝕性流(liu)體.的理(lǐ)想的流(liu)量計.
　　但(dan)是,渦街(jiē)流量計(ji)存在兩(liang)大缺陷(xiàn):(1)小流量(liang)信噪比(bi)低;(2)抗幹(gan)擾性能(neng)差.其中(zhōng)抗幹擾(rǎo)性能是(shi)衡量一(yī)台工業(ye)渦街流(liú)量計應(ying)用好壞(huai)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一個(ge)重要指(zhǐ)标.目前(qián)很多工(gōng)業用戶(hu)之所以(yǐ)對渦街(jiē)流量🐇計(ji)的應用(yòng)失去信(xìn)心，是因(yīn)爲在實(shí)際應用(yong)中,工業(yè)振動是(shì)普遍存(cún)在的;而(ér)一般的(de)工業振(zhèn)動頻率(lü)大☀️都在(zai)幾赫茲(zī)到幾千(qian)赫茲之(zhi)間,渦街(jiē)流量✨計(ji)的旋渦(wo)分離頻(pín)率正好(hǎo)落在這(zhe)個🧡範圍(wéi)之内..
　　近(jìn)10年來,針(zhēn)對以上(shàng)問題國(guó)内外學(xué)者做了(le)大量的(de)研究,并(bìng)且大部(bù)分研究(jiu)主要是(shì)從信号(hao)處理的(de)角度出(chu)發.如采(cǎi)用自适(shì)應譜分(fen)析💯方法(fa)對渦街(jie)信号進(jìn)行處理(lǐ)以提高(gāo)渦街流(liú)量計的(de)抗噪能(neng)力川🌈,又(yòu)如根據(ju)實驗數(shu)據對渦(wō)街流量(liàng)産生的(de)信号建(jiàn)立數學(xue)模型将(jiang)譜預測(ce)的方💘法(fǎ)運用到(dào)渦🈲街流(liu)量計上(shàng),用以提(tí)高渦街(jiē)流量計(jì)的抗幹(gan)擾性能(neng),使計量(liàng)精度和(hé)可靠性(xing)得到提(ti)高.除通(tōng)過信号(hao)處理⛷️的(de)技術外(wai)，人們還(hai)從傳感(gan)器方面(miàn)尋找改(gai)善渦🈲街(jiē)流量計(jì)性能的(de)思路，如(rú)通過💛改(gai)進壓電(dian)傳感器(qì)達到減(jiǎn)弱管道(dào)振動對(dui)渦街流(liu)量⭐計影(ying)響的目(mu)的.
1懸浮(fu)式差動(dong)傳感器(qì)的設計(jì)
1.1流量傳(chuán)感器幹(gan)擾噪聲(sheng)分析
　　渦(wo)街流量(liàng)計是根(gen)據卡門(men)旋渦頻(pin)率實現(xian)流量測(ce)量的流(liu)👅量計.在(zai)具有旋(xuan)渦發生(sheng)體的流(liú)場中,當(dāng)兩旋渦(wo)列之間(jian)的🈲距離(li)h與同列(lie)的兩旋(xuán)渦之間(jian)的距離(lí)L之比滿(man)足h/L=0.281時,形(xing)成卡門(men)渦街如(ru)圖1所示(shì).大量實(shí)驗證明(míng):在一-定(dìng)的雷⭐諾(nuo)數範圍(wéi)内,穩定(ding)的旋渦(wō)發生頻(pín)率ƒ與旋(xuán)⭕渦發生(sheng)體側流(liú)速u與旋(xuán)渦發生(shēng)體的柱(zhu)寬d有如(rú)下确🔞定(ding)的關系(xi):ƒ=(u/d)St.式中St爲(wei)斯特勞(láo)哈爾數(shù)(無綱量(liang)),對于一(yi)定✌️形狀(zhuang)的旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦(wō)發生體(ti),在一-定(ding)的雷諾(nuò)數範圍(wei)内是一(yī)個常數(shu).由于流(liú)體流㊙️量(liàng)與其流(liu)速之間(jiān)存🔱在線(xian)性關系(xì),所以通(tong)過測量(liàng)旋渦發(fa)生引起(qi)的流體(ti)振動🚶‍♀️頻(pin)率☀️，即可(kě)實現對(duì)流體流(liú)量的㊙️測(cè)量.
 
　　由渦(wō)街流量(liang)計的工(gong)作原理(lǐ)可見，渦(wō)街流量(liàng)計是利(li)用流體(ti)✊自身振(zhèn)動實現(xiàn)流體的(de)測量的(de).而待測(ce)系統中(zhōng)存📧在的(de)壓力脈(mò)動或外(wài)界的振(zhen)動源和(he)噪聲源(yuan)也會引(yin)起待測(ce)系🙇🏻統中(zhong)流🔆體的(de)振動,這(zhe)些外來(lái)的振動(dong)🆚信号，或(huo)改變旋(xuán)渦振動(dòng)頻率，或(huò)直接進(jin)人二次(cì)儀表,造(zao)成計量(liang)誤💞差.理(li)想情況(kuàng)下，渦街(jie)流量計(ji)輸出正(zhèng)弦🈲波信(xin)号,但實(shi)🏃🏻際上由(you)于流體(ti)流♻️動噪(zào)聲、機械(xiè)振動噪(zao)聲等千(qiān)擾🌈的影(ying)響,它遠(yuan)非理想(xiǎng)的正弦(xian)波信号(hào)，而是一(yī)個混有(you)強噪聲(shēng)的混合(he)信号。
1.2懸(xuan)浮式差(chà)動傳感(gan)器的結(jié)構
　　在渦(wō)街流量(liàng)計中,懸(xuán)浮差動(dòng)式流量(liàng)傳感器(qì)的安裝(zhuāng)如👅圖2所(suo)示,傳感(gan)器B安裝(zhuang)在旋渦(wō)發生體(tǐ)A的後面(miàn).傳感㊙️器(qì)的軸線(xiàn)與旋渦(wō)發生體(tǐ)平行,整(zheng)個傳感(gǎn)器都沉(chen)浸在流(liú)體中[5].圖(tú)中的懸(xuán)浮式差(chà)動♊傳感(gǎn)器🆚在設(she)計中使(shi)用了4個(ge)壓電晶(jīng)體作爲(wei)檢測元(yuán)件，在平(ping)闆兩側(ce)對稱固(gù)定了兩(liǎng)個㊙️檢測(cè)單元，以(yǐ)形成差(chà)動結構(gòu).每個檢(jiǎn)測單元(yuán)外形爲(wei)一♊個半(bàn)圓柱型(xing)殼體，殼(ké)體内具(ju)有與平(ping)闆軸線(xiàn)平行的(de)通孔,通(tong)孔内有(you)兩個尺(chi)寸、質量(liàng)和靈📱敏(min)度系數(shù)都相同(tong)的壓電(dian)陶瓷片(pian)，兩壓電(dian)陶瓷片(pian)之間由(yóu)一金屬(shu)質量塊(kuài)相連,該(gai)質🛀量塊(kuài)與兩壓(ya)電🏃🏻陶瓷(ci)片焊接(jiē)在一起(qǐ)組成一(yī)個剛體(ti).金屬質(zhì)量塊同(tong)時也作(zuo)爲壓電(diàn)陶瓷的(de)輸出電(dian)極,引出(chū)檢測信(xìn)号給電(dian)荷☔放大(dà)🤩電路.兩(liang)片壓電(diàn)晶體采(cai)用并聯(lián)式結構(gòu),如圖3所(suo)示,使輸(shū)出電荷(hé)量加倍(bèi),以達到(dào)增⭕大渦(wo)街流量(liang)信号✉️的(de)目的.
 
　　每(mei)個檢測(cè)單元的(de)_上”下兩(liang)個壓電(diàn)陶瓷片(pian)在安裝(zhuāng)時必須(xu)具有相(xiang)等的受(shou)壓預緊(jin)力，以保(bǎo)證由兩(liang)個壓電(diàn)陶瓷片(pian)與金屬(shu)🏃🏻‍♂️質量塊(kuài)形成的(de)剛體中(zhong)會形成(cheng)一個内(nei)應力分(fèn)界面.由(yóu)于金屬(shǔ)質量塊(kuai)具有一(yi)定的厚(hòu)度，所以(yǐ)内應力(lì)分界面(mian)一定會(hui)在金屬(shu)質量塊(kuai)的内部(bu)♻️,而兩個(ge)壓電陶(tao)瓷片又(you)是嚴格(ge)對稱匹(pǐ)配的，因(yīn)此,可❄️以(yi)在結構(gòu)上保證(zhèng)在受到(dao)相等的(de)力的作(zuò)用時⭐,這(zhè)兩個壓(yā)電陶瓷(ci)片能夠(gòu)産生相(xiang)等的電(dian)📱荷.
1.3懸浮(fu)式差動(dong)傳感器(qì)的抗幹(gàn)擾工作(zuo)原理
1.3.1懸(xuan)浮式結(jié)構對振(zhèn)動幹擾(rao)的抑制(zhi)
　　懸浮式(shi)結構對(dui)于流場(chǎng)中的振(zhen)動幹擾(rǎo)噪聲可(kě)以實現(xiàn)有效的(de)抑制.管(guan)道在外(wài)界幹擾(rǎo)作用下(xia)産生的(de)振動總(zǒng)是可以(yi)分👨‍❤️‍👨解爲(wei)如圖4所(suo)示的三(sān)個方向(xiàng)，即方向(xiàng)a----與旋渦(wō)升力方(fāng)向相同(tong)、方向b----與(yǔ)流體流(liú)動方向(xiàng)垂直、方(fang)向c--與流(liú)體流動(dong)方向平(píng)行.根據(jù)懸浮式(shì)差動傳(chuan)感🌈器結(jié)構與安(an)裝方式(shi)，可知方(fang)向b與方(fang)向c上的(de)振動幹(gan)擾不會(hui)産生噪(zao)聲信号(hào),隻有方(fāng)向a的振(zhen)動幹擾(rǎo)可引起(qi)傳感器(qi)殼體的(de)跟随振(zhèn)動.此時(shí),由于傳(chuán)感器中(zhōng)金屬質(zhì)量塊的(de)慣性作(zuò)🌂用，檢測(ce)單元中(zhong)上💛下對(dui)稱的兩(liǎng)個壓電(dian)陶瓷片(piàn)會分别(bié)受到壓(ya)力和拉(lā)力的作(zuo)用,這使(shi)得兩個(ge)壓電陶(táo)瓷片分(fen)别産生(sheng)極性相(xiang)反的正(zheng)負電荷(he)信号.由(yóu)于兩個(ge)壓電陶(táo)瓷片采(cǎi)用并聯(lián)結構,所(suo)以當上(shang)下兩個(gè)壓電陶(tao)瓷片的(de)信号在(zai)金屬質(zhi)量塊中(zhōng)相加時(shí)🚶,幹擾信(xin)号所産(chǎn)生的電(diàn)荷信号(hao)會相互(hu)抵消,傳(chuan)感器起(qǐ)到了自(zì)減振的(de)作用,從(cong)而極大(dà)地削弱(ruò)了此方(fang)向的幹(gàn)擾信号(hao).
 
1.3.2差動式(shì)結構對(dui)振動幹(gàn)擾的抑(yì)制
　　如圖(tu)3所示，當(dang)旋渦流(liú)經傳感(gǎn)器時，旋(xuán)渦産生(sheng)的交變(bian)壓力作(zuo)用在兩(liǎng)個檢測(ce)單元的(de)彈性膜(mo)片上,使(shǐ)兩側的(de)壓電陶(tao)瓷片交(jiao)替産生(shēng)電荷.兩(liǎng)個檢測(ce)單元會(huì)輸出帶(dai)有噪聲(shēng)的正弦(xian)信号Si與(yu)S2,如圖5所(suǒ)示.由于(yú)兩個檢(jiǎn)📐測單元(yuan)的對稱(chēng)性,使😘得(de)St與S2信号(hao)中所含(hán)的渦街(jie)流量信(xin)号的幅(fú)值與頻(pín)率相同(tong)、相位相(xiàng)差180°;又因(yin)爲管道(dào)振✉️動、流(liú)場脈動(dong)等引起(qi)的幹擾(rao)振動對(dui)兩側的(de)壓電陶(tao)瓷片的(de)作用是(shì)一緻的(de),所以S1與(yu)S2信号💃🏻中(zhong)所含幹(gàn)擾信号(hào)爲幅值(zhi)、頻率與(yǔ)相位都(dōu)相同的(de)共模信(xin)号.在采(cai)用差動(dong)式電荷(he)放大前(qián)置放大(da)電路中(zhōng),輸出信(xin)号隻含(hán)有差模(mo)信号S1-S2,從(cong)而有效(xiào)地🆚抑制(zhi)了振動(dong)幹擾.
 
2實(shi)驗結果(guo)
　　圖6與圖(tú)7分别爲(wei)傳統渦(wō)街流量(liàng)計與使(shǐ)用了懸(xuán)浮式差(chà)動♋傳感(gǎn)器的渦(wō)街流量(liang)計在管(guǎn)道受到(dao)外力敲(qiao)擊時的(de)渦街流(liú)量信号(hào)(該信号(hao)爲經差(chà)動放大(da)後的信(xin)号).由圖(tú)6可見,傳(chuan)統渦街(jie)流量計(jì)對振動(dong)非常敏(mǐn)感，渦🧡街(jie)流量信(xin)号中疊(die)加了很(hěn)強的幹(gàn)擾信号(hào).而在使(shǐ)用㊙️了懸(xuán)浮式差(chà)🔞動傳感(gan)器的渦(wo)街流量(liàng)計中,管(guǎn)道受到(dào)敲擊時(shi)的幹擾(rǎo)被大大(da)削弱,在(zài)經差動(dong)放大後(hou)♻️幾乎♋沒(méi)有幹擾(rao)🈲信号.
 
結(jié)論
　　爲了(le)使渦街(jiē)流量計(ji)能夠測(ce)量低流(liú)速、小流(liú)量的信(xin)号🈚,必需(xu)盡量提(ti)高有效(xiào)流量信(xin)号的幅(fú)值,而降(jiang)低幹♈擾(rǎo)噪🌍聲的(de)幅值,即(ji)提高信(xìn)号的信(xìn)噪比.我(wǒ)們的工(gong)作針對(dui)一次儀(yi)表展開(kai),提出了(le)一種新(xin)穎的傳(chuan)感器結(jié)構懸浮(fu)式差動(dong)傳感🌈器(qi).實驗證(zhèng)明,該傳(chuan)感器可(kě)使渦💁街(jiē)信号的(de)信噪比(bǐ)大大提(tí)高,從而(ér)使現有(you)渦街流(liú)量計的(de)抗幹擾(rǎo)性✏️能得(de)以極大(dà)的改善(shàn).它對于(yu)渦街流(liu)量計的(de)理論研(yán)究☁️及工(gong)程應用(yong)都具有(you)重要的(de)意義.

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