摘(zhāi)要:針對渦(wō)街流量計
抗幹(gàn)擾性能差.量程窄(zhǎi)的問題(tí)，研制(zhì)了一種(zhǒng)抗幹擾(rǎo)性能優的(de)通用(yòng)渦街流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器,從渦街(jiē)信号的源(yuán)頭加(jiā)以改(gǎi)進，提高了渦(wō)街信号(hào)的信噪比(bǐ)和靈敏度;并對(duì)渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器輸出信(xìn)号的(de)過程導線(xiàn)及初(chū)級信(xìn)号(hào)處(chù)理電路的(de)信号屏蔽(bì)和保(bǎo)護措施加以改進;研(yán)制的(de)樣機經(jīng)氣體流量标準裝置等(děng)設備測試驗證(zhèng),不僅能抵抗1.5g以(yǐ)下的機械振動(dòng)幹擾(rǎo),而且實現(xiàn)了大于(yú)20:1的寬量程比性能(néng)。
0引言(yán)
渦街(jiē)流量(liàng)計是(shì)20世紀70年代才發(fā)展起(qǐ)來的(de)一種(zhǒng)新型的流量儀(yí)表，因(yīn)其有許多優點(diǎn)，吸(xī)引了國内外(wài)衆多(duō)研究(jiū)者和(hé)企業的關(guān)注，目前已(yǐ)發展(zhǎn)成爲主流流量儀表之(zhī)一，但因起步晚、經驗不(bú)足，目前(qián)存在的(de)主要問題是量(liàng)程不寬(kuān)(10:1左(zuǒ)右)、抗(kàng)幹擾(rǎo)性(xìng)能(néng)差等(děng)不(bú)足，因此對它(tā)的研究還在不(bú)斷地進行(háng)，研究者從許多方面(miàn)對其(qí)進行了深(shēn)人的(de)研究:①旋渦(wō)發生體的(de)研究(jiū)葉;②壓(yā)電傳(chuán)感器(qì)探頭位置(zhì)的研究一氣;③數字信(xìn)号(hào)處理方(fāng)法的研究;，④渦街信号(hào)檢測方法的研(yán)究121);⑤數值(zhí)仿(páng)真方(fāng)法的(de)研究。
上述研(yán)究方向多是(shì)的發生體結構、傳感(gǎn)器(qì)安裝位(wèi)置或是在(zài)渦街(jiē)電信号的處理(lǐ)後期階段(duàn)的方(fāng)法研究，而(ér)對渦(wō)街電(diàn)信号(hào)産生(shēng)的源(yuán)頭(tóu)即渦街(jiē)流量(liàng)傳感(gǎn)器本(běn)身及(jí)其輸出原(yuán)始信号(hào)的保護(hù)方面(miàn)研(yán)究很少(shǎo);渦街(jiē)流(liú)量傳感(gǎn)器是(shì)渦(wō)街流量(liàng)計(jì)的最核心部(bù)件，它的(de)性能好(hǎo)壞直接決(jué)定了(le)渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)性能(néng)，而在此處的研究和方法(fǎ)是有效提升抗幹擾性能(néng)擴展(zhǎn)量程的關(guān)鍵點(diǎn)。
将工(gōng)作重點就(jiù)放在(zài)這個關鍵(jiàn)點上,即(jí)在壓(yā)電(diàn)傳感(gǎn)産(chǎn)生信号(hào)的源頭(tóu)在(zài)抗振(zhèn)動和屏蔽方面(miàn)加(jiā)以(yǐ)改(gǎi)進，一種(zhǒng)抗幹(gàn)擾性能好(hǎo)、輸出(chū)壓電(diàn)信号信噪比(bǐ)強的壓電式通用渦街流量傳(chuán)感(gǎn)器叫(jiào)(簡稱壓電傳感(gǎn)器),如何提(tí)高傳(chuán)感器原(yuán)始信号(hào)及其初級信号處理電(diàn)路的信(xìn)号屏蔽(bì)保(bǎo)護(hù)措(cuò)施。
1渦街流量計(jì)工作原理
如圖1所示(shì)，管道中垂(chuí)直插(chā)人一個三(sān)角形(xíng)柱狀的(de)旋渦發生體(tǐ)，随着流體流(liú)動(dòng)，當管(guǎn)道雷諾數達到一(yī)定值時，在旋(xuán)渦發生體兩側(cè)會交替地(dì)産生(shēng)有規(guī)則的(de)旋渦，這種旋渦稱爲卡門(mén)渦街。
設旋(xuán)渦發生(shēng)頻率爲f，旋渦發(fā)生體(tǐ)迎流面寬度爲(wèi)d,表體通徑(jìng)爲d,根據(jù)卡門渦街工(gōng)作原理，可(kě)知:
f=sru/d(1)
式(shì)中:f爲(wèi)旋渦頻率;sr爲(wèi)斯特勞(láo)哈(hā)爾數;u爲旋渦發生(shēng)體兩側平均流速;d爲旋渦(wō)發生(shēng)體迎流面寬度。
流體産生(shēng)的這一漩渦周(zhōu)期性的脫落引起對三角柱和(hé)渦街傳感器探頭周(zhōu)期性(xìng)的作(zuò)用力。根據(jù)熱力學第(dì)一第二定(dìng)律和庫塔(tǎ)儒科夫斯(sī)基升力定(dìng)理01,設(shè)作用(yòng)在旋(xuán)渦發生體上的(de)升力爲fl有:
式中(zhōng):cl爲升力系數;p爲(wèi)流體(tǐ)密度;u爲流體流(liú)速(sù);a爲特征(zhēng)面積(jī)，即升(shēng)力作(zuò)用面積。由于交(jiāo)替地作用(yòng)在發(fā)生體(tǐ)上升力的(de)頻率就是旋渦的脫(tuō)落頻率，通(tōng)過壓電傳感器的探頭(tóu)扁尾對(duì)fl升力及(jí)其變化頻率(lǜ)的傳感和(hé)檢測，即可得到(dào)f，再由(yóu)式
(1)可得流(liú)體的流(liú)速和體積流量(liàng)。
從(cóng)式(1)、(2)可(kě)以看出(chū)如何提(tí)高渦(wō)街流量計(jì)的抗(kàng)振動性能(néng)和擴(kuò)展(zhǎn)量(liàng)程比(bǐ)，關鍵看壓電式(shì)渦街傳感器的探頭對(duì)f升力檢(jiǎn)測的能力。是在(zài)改進壓電式渦街流量傳感器(qì)及其相關(guān)技術來提(tí)高傳感器(qì)的測量小(xiǎo)流量(liàng)的信噪比和靈(líng)敏度。
2拓展量程(chéng)的研(yán)究方案和(hé)技改
2.1提(tí)高(gāo)抗振(zhèn)動性能的研究(jiū)和實現
由(yóu)于流(liú)量計與管道法蘭式(shì)剛性連接，且流量計上壓(yā)電式渦(wō)街流量(liàng)傳感器探頭也(yě)是與表體(tǐ)剛性連接(jiē)，管(guǎn)道的振動會直接(jiē)傳導到壓(yā)電傳感(gǎn)器(qì)探頭(tóu)上，産生和(hé)流量信号相同(tóng)機理(lǐ)的振(zhèn)動幹擾(rǎo)信(xìn)号;另(lìng)外，振(zhèn)動也會導緻壓(yā)電傳(chuán)感器的導(dǎo)線、導(dǎo)線端子與電路連接觸電(diàn)等部(bù)位的振動(dòng)，有可能通過某(mǒu)種機電傳感機(jī)理，轉換爲(wèi)電噪(zào)聲。所以研究渦(wō)街傳(chuán)感器自身(shēn)的結(jié)構,提(tí)升(shēng)自(zì)身抗(kàng)振(zhèn)動性能(néng)是提高(gāo)渦(wō)街流(liú)量計抗(kàng)振動幹(gàn)擾性(xìng)能(néng)的有效(xiào)方法。若等到振(zhèn)動幹擾信(xìn)号都疊加(jiā)在(zài)流量型(xíng)号上了，再(zài)去想(xiǎng)盡各(gè)種(zhǒng)辦法去(qù)剔除幹擾信号(hào)，即不(bú)經濟，也不(bú)理想(xiǎng)。
爲(wèi)此(cǐ)，采用(yòng)了壓電(diàn)傳感器(qì)與旋(xuán)渦(wō)發生體(tǐ)(三角柱)分離型(xíng)的結(jié)構方(fāng)案，即(jí)研制(zhì)了(le)種小尺(chǐ)寸懸臂(bì)梁凹結(jié)構的(de)壓(yā)電式通(tōng)用渦(wō)街流量傳(chuán)感器(qì)(簡(jiǎn)稱(chēng)壓電(diàn)傳感器(qì)),壓電傳感器(qì)結(jié)構(gòu)如圖(tú)2所示(shì)，由安裝法(fǎ)蘭盤、探頭(tóu)扁(biǎn)尾(wěi)、壓電元件(jiàn)、铠裝(zhuāng)導線、密(mì)封罩、接(jiē)線端子等組成(chéng)。壓(yā)電傳感器通(tōng)過中部的安裝(zhuāng)法蘭盤(pán)與(yǔ)流量(liàng)計殼體固(gù)定，下(xià)部的(de)懸(xuán)臂梁置(zhì)于(yú)旋渦發生體(tǐ)内的孔洞中，壓(yā)電傳感(gǎn)器(qì)的探(tàn)頭扁尾(wěi)通過發(fā)生體兩側的側(cè)孔獲取旋渦升(shēng)力作用。并傳感出相(xiàng)應(yīng)的(de)渦街(jiē)流量(liàng)信(xìn)号(hào)。在懸(xuán)臂梁内(nèi)部，壓電(diàn)元件(jiàn)機(jī)械封裝(zhuāng)在探頭内空(kōng)腔(qiāng)中，空餘空腔則(zé)無其它(tā)填充物(wù)。壓電元件通過(guò)剛性結構(gòu)的铠(kǎi)裝導線将信号輸出到外部的接線端(duān)子上，再(zài)通過接線端子(zǐ)将(jiāng)信(xìn)号輸(shū)出到(dào)外部信号處理電路進行(háng)處理(lǐ)。當管(guǎn)道流(liú)體因漩渦發生體産生渦街後，伴随(suí)産生(shēng)的交(jiāo)變升(shēng)力f,作(zuò)用在(zài)懸臂梁下部的探頭(tóu)扁尾上，懸臂梁(liáng)産生變形并迫(pò)使内部(bù)的壓(yā)電(diàn)元件也同步變形，從(cóng)而産(chǎn)生出(chū)與交(jiāo)變升(shēng)力對應(yīng)的電荷,通過(guò)後續的一(yī)系列(liè)信号(hào)處理電路(lù)，最終獲得(dé)流量(liàng)信息(xī)。
提高抗振動性能的設計(jì)方案及其分析(xī):
(1)傳感器懸(xuán)臂梁的探(tàn)頭(tóu)部分按(àn)現有工藝和技術設計爲(wèi)較小(xiǎo)的外(wài)徑d和(hé)盡量(liàng)短的長度(dù)l,并且(qiě)探頭内空(kōng)腔采用抽(chōu)真(zhēn)空無填(tián)充物封裝結構，這樣的結(jié)構保(bǎo)證了(le)該探(tàn)頭懸臂梁(liáng)的(de)質量最(zuì)小，設其等效重(zhòng)心爲(wèi)g點,質量爲(wèi)mc質點至支撐點距離(lí)爲l2管道振(zhèn)動加速(sù)度爲a,振(zhèn)動加(jiā)速度垂直(zhí)于(yú)探頭(tóu)軸線方(fāng)向的分量(liàng)爲α2,則(zé)管道振動(dòng)幹擾對懸(xuán)臂(bì)梁的彎(wān)矩mc公式(shì)爲:
mg=mga2l2(3)
由公(gōng)式(3)可知，由于懸(xuán)臂梁質量(liàng)的客(kè)觀存在,所以振動産生(shēng)的(de)幹擾(rǎo)彎矩(jǔ)必然存在(zài)，但可以減小懸(xuán)臂梁質量(liàng)和等(děng)效重心的(de)力臂(bì)l2長度(dù)，在振動幹(gàn)擾強(qiáng)度不變的情(qíng)況下(xià)，mc越輕,作(zuò)用力臂l2越小,振(zhèn)動幹(gàn)擾産生的(de)彎矩mc就(jiù)越(yuè)小。
(2)如圖1所(suǒ)示，傳(chuán)感器(qì)探頭插(chā)人在發(fā)生體内的孔洞(dòng)中，僅(jǐn)通過(guò)發生體兩(liǎng)側的導壓(yā)孔傳導(dǎo)出(chū)旋渦(wō)升力(lì)作用于探(tàn)頭扁尾，其他部(bù)位不(bú)受力;如圖2所示(shì)，設(shè)旋(xuán)渦升(shēng)力的作(zuò)用力臂爲(wèi)l，旋渦升力作(zuò)用點(diǎn)爲(wèi)b,作用力(lì)爲fe1,此時傳感器(qì)僅b點受(shòu)旋(xuán)渦升(shēng)力作(zuò)用，升力産(chǎn)生的彎矩mfea公式(shì)爲:
mpel=fcll1(4)
由(yóu)公式(4)可知(zhī)，此時的力臂l1最(zuì)大，彎(wān)矩(jǔ)mfel也(yě)最大(dà)，此時壓(yā)電傳感(gǎn)器輸出的(de)信号(hào)也最(zuì)強(qiáng)。
(3)傳感器(qì)内部信(xìn)号(hào)導線(xiàn)采用(yòng)剛性結構(gòu)的铠裝導線，該(gāi)結構可保證在(zài)機械振動傳(chuán)感(gǎn)器導(dǎo)線不彎曲和不(bú)抖(dǒu)動(dòng)，導線(xiàn)部分(fèn)所等效的(de)傳感器電(diàn)容值也會固定不變(biàn)，減少了因(yīn)振動源引起(qǐ)的電噪(zào)聲的産生。
以上(shàng)分析說明(míng)，該壓(yā)電式(shì)渦街流量(liàng)傳感器感應旋渦升力性(xìng)能強，受管(guǎn)道振(zhèn)動影響弱。從根本上(shàng)提高了測量小(xiǎo)流量的靈(líng)敏度(dù)。
2.2提升抗(kàng)電磁幹擾性能的研究和實(shí)現
壓電式(shì)渦街流(liú)量傳感器在(zài)工(gōng)作時輸(shū)出的電(diàn)荷(hé)信号很弱(ruò)，電壓峰峰(fēng)爲毫(háo)伏級，并且(qiě)工作在非諧振(zhèn)狀态，極易(yì)受空(kōng)間中的電磁幹擾後衰減，所以傳感器的(de)制作(zuò)既要保證(zhèng)它很(hěn)高的輸人阻抗(kàng)，同時還(hái)需有良(liáng)好的(de)屏蔽和接(jiē)地要求(qiú)，以(yǐ)防止(zhǐ)漏電流引起的(de)電荷(hé)信(xìn)号衰減(jiǎn)和電磁幹擾進(jìn)人電(diàn)荷(hé)放大器的(de)輸(shū)人端(duān)。爲此(cǐ)，研制(zhì)的(de)這種通用渦(wō)街流量傳(chuán)感器及(jí)其信号處理(lǐ)電路采用(yòng)了如(rú)下的(de)屏蔽(bì)工藝(yì)等(děng)技術方(fāng)法:
(1)傳感器(qì)探頭體内的(de)元件封(fēng)裝采用無任何填充料的結構(gòu),并且采用高溫加熱和抽真空狀态下對(duì)傳感器進行氩弧焊(hàn)接封裝，該(gāi)傳感(gǎn)器具有常溫(wēn)下104mΩ以上(shàng)絕緣(yuán)阻抗(kàng)和300℃高溫下100mΩ絕緣阻抗。
(2)傳感器輸出(chū)導線采用硬(yìng)質純(chún)鎳質内芯的金屬铠裝線(xiàn)結構，傳(chuán)感(gǎn)器自(zì)身的屏(píng)蔽效果最好;
(3)傳(chuán)感(gǎn)器探(tàn)頭内(nèi)成(chéng)安裝(zhuāng)的(de)對壓電元(yuán)件采用差動信号輸(shū)出接線方(fāng)式，并(bìng)且(qiě)其中一(yī)極與(yǔ)傳感器的金屬外殼可靠(kào)接地(dì);
(4)傳感(gǎn)器末端導(dǎo)線接線端與電(diàn)荷放(fàng)大輸入電路連接(jiē)部分也(yě)全部采用(yòng)剛性(xìng)金屬(shǔ)屏蔽單防(fáng)護工藝;
(5)信号處(chù)理電(diàn)路(lù)中(zhōng)将初(chū)級電荷(hé)放大電路和二二級放(fàng)大濾波(bō)電(diàn)路設(shè)計成(chéng)獨立的電(diàn)路模(mó)塊并且也封閉(bì)安裝在一個金屬屏(píng)蔽罩内與其他電路(lù)特别(bié)是數字電(diàn)路隔(gé)離開(kāi)來，防(fáng)止了後級數字(zì)電路(lù)及其他空(kōng)間電(diàn)磁場的幹擾。傳(chuán)感器及其(qí)初級信(xìn)号處理(lǐ)電路(lù)的結構圖(tú)如圖3所示(shì)。
屏蔽(bì)可以用(yòng)控(kòng)制電(diàn)場或磁場(chǎng)從空間的(de)一個(gè)或到(dào)另一個區(qū)或的傳播(bō)，這是克服(fú)電場耦(ǒu)合(hé)幹擾、磁場(chǎng)耦合(hé)幹擾(rǎo)以(yǐ)及電磁輻射(shè)幹擾的最有效手段啊。屏(píng)蔽的目的是(shì)利用導(dǎo)電材(cái)料(liào)或高導(dǎo)磁率材(cái)料來減(jiǎn)小磁場(chǎng)、電場或電磁場的強度(dù)。屏蔽可(kě)以應用于噪聲源，通過用屏蔽材(cái)料把(bǎ)幹擾源包圍起(qǐ)來以(yǐ)減弱幹擾(rǎo)磁場(chǎng)的(de)強度，屏蔽也可以應用于(yú)需要抑制噪(zào)聲的(de)敏感元(yuán)件(jiàn)和檢(jiǎn)測電路,通(tōng)過用屏(píng)蔽(bì)材料把敏感元件和(hé)電(diàn)路包圍起來(lái)以減(jiǎn)弱(ruò)電路(lù)附(fù)近的場強(qiáng)。屏蔽的範圍可以是電纜、個别器件、部分電(diàn)路或整(zhěng)個電路系(xì)統。總(zǒng)之屏(píng)蔽對于削(xuē)弱或(huò)切斷電場(chǎng)、磁場(chǎng)與(yǔ)電磁輻(fú)射三(sān)種(zhǒng)幹擾耦(ǒu)合方式都(dōu)是行(háng)之有效(xiào)的(de)。
3樣機(jī)測試
根據.上述(shù)研究(jiū)和技改方案，制作了dn150、dn200和dn250三(sān)種大口徑各10台樣機(jī)，三種(zhǒng)樣機(jī)在50hz、1.5g機械(xiè)振(zhèn)動條(tiáo)件下測(cè)試,輸出(chū)信号(hào)頻率(lǜ)爲零(líng),樣機(jī)在标(biāo)準表(biǎo)法氣體流量标準裝(zhuāng)置(zhì)上用常溫常壓下(xià)空氣(qì)流量标(biāo)定，量程(chéng)比達到20:1以(yǐ)上，1.0級(jí)精度(dù)合(hé)格(gé)。其中(zhōng)dn150口徑一(yī)台(tái)樣機的測(cè)試數據如(rú)下表(biǎo)2,最小流速(sù)測到了2m/s,量(liàng)程比擴展到(dào)30:1。
4結(jié)束語(yǔ).
機械振動(dòng)幹擾(rǎo)和電磁(cí)幹擾時(shí)對渦街流量計(jì)性能影響的主要因(yīn)素，直(zhí)接限(xiàn)制了(le)量程下限(xiàn)，影響(xiǎng)了(le)渦街流(liú)量計在(zài)低流速、小流量時的計(jì)量性能。通(tōng)過從渦街信(xìn)号(hào)産生(shēng)的源頭做(zuò)起，研(yán)制了(le)一種抗幹(gàn)擾性能(néng)好的通用型渦街流量(liàng)傳感器，以及對(duì)禍街(jiē)信(xìn)号第一(yī)級傳輸導線和(hé)前置放(fàng)大處理(lǐ)電路等的可靠(kào)屏蔽保護改進(jìn)措施(shī)的兩項研(yán)究和實現，研制(zhì)的dn150口徑樣機在(zài)氣體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置上(shàng)常溫常壓空(kōng)氣标定量(liàng)程(chéng)範圍(wéi)超(chāo)過20:1,可測最大流(liú)量達到4100m3/h(60m/s),最小流(liú)速已(yǐ)測到(dào)2m/s,實現了寬量程性能(néng);
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