摘要(yào)：針(zhēn)對渦街(jiē)流量(liàng)計 抗(kàng)幹擾(rǎo)性(xìng)能差的缺點(diǎn),設計了一(yī)種新的傳感器結構(gòu)一一懸(xuán)浮式差(chà)動傳感器,使流(liú)量計(jì)一次儀表(biǎo)輸出(chū)信(xìn)号的信噪比大大提高(gāo).實驗(yàn)結果表明,采用(yòng)此種傳感(gǎn)器結構的渦街(jiē)流量計的抗千(qiān)擾性(xìng)能(néng)得到顯(xiǎn)著改善.
　　渦街流量計(jì)是利用旋(xuán)渦脫離誘發流(liú)體振動的原理(lǐ)實現流(liú)量的計量,其(qí)主(zhǔ)要特點(diǎn)是:無(wú)運動部件(jiàn)，因(yīn)此(cǐ)不必考慮(lǜ)流體中雜(zá)質對(duì)流量計的物理(lǐ)損害,從而(ér)極大(dà)地拓展了精密(mì)流量計(jì)的應用(yòng)範圍(wéi),并有良好(hǎo)的線(xiàn)性(xìng)度、較大(dà)的量程(chéng)和(hé)很強的介(jiè)質适應性(xìng),可用于不同流(liú)體的穩态(tài)和瞬态流(liú)量的(de)計量(liàng).此外，它還有具有壓力損失小、可靠性高(gāo)、維護方便和不(bú)受流(liú)體組(zǔ)成、密(mì)度、溫(wēn)度、壓(yā)力影響等(děng)優點(diǎn),是測量氣(qì)體(tǐ)、液體、蒸汽、混(hùn)合型(xíng)和腐蝕性(xìng)流體.的理(lǐ)想的(de)流量(liàng)計(jì).
　　但是,渦(wō)街流量(liàng)計存在(zài)兩大缺(quē)陷:(1)小流(liú)量信(xìn)噪比(bǐ)低;(2)抗(kàng)幹擾性(xìng)能(néng)差.其中抗(kàng)幹(gàn)擾(rǎo)性能是衡(héng)量一(yī)台工(gōng)業渦(wō)街流量計(jì)應用好壞(huài)的一(yī)個重要指(zhǐ)标.目(mù)前很多工業用戶之所以對渦(wō)街流量計的應用失去信心(xīn)，是(shì)因爲在實(shí)際應(yīng)用中,工業振動(dòng)是普遍(biàn)存在的(de);而一般的工業(yè)振動頻率(lǜ)大都(dōu)在幾赫茲到幾(jǐ)千赫茲(zī)之間,渦(wō)街流(liú)量(liàng)計(jì)的旋(xuán)渦分離頻率正(zhèng)好落在(zài)這個範圍之内..
　　近10年來,針對(duì)以上問題(tí)國内外學者做了大量(liàng)的(de)研究(jiū),并且大部分研(yán)究主要是從信(xìn)号處理的角度出發(fā).如(rú)采(cǎi)用自(zì)适應譜分析方(fāng)法對渦(wō)街信号(hào)進行處理以提高渦街流量計(jì)的抗噪能(néng)力川,又如根據實驗(yàn)數據對渦街流(liú)量産(chǎn)生的(de)信号(hào)建立數(shù)學模型将譜(pǔ)預測(cè)的方(fāng)法運用到(dào)渦街(jiē)流量(liàng)計(jì)上,用(yòng)以(yǐ)提高渦(wō)街(jiē)流量計的抗幹擾性(xìng)能,使(shǐ)計量精度和可靠性得到(dào)提高.除通過(guò)信号處理的技術(shù)外，人(rén)們(men)還從傳(chuán)感器(qì)方面(miàn)尋找(zhǎo)改善渦街流量(liàng)計性能的思路(lù)，如通過改(gǎi)進壓電傳感(gǎn)器達到(dào)減弱(ruò)管道振動(dòng)對渦(wō)街流量計(jì)影響的(de)目的.
1懸浮式差動(dòng)傳感(gǎn)器的設(shè)計
1.1流量(liàng)傳感(gǎn)器(qì)幹擾噪聲分析
　　渦(wō)街流(liú)量計是根據卡(kǎ)門旋渦(wō)頻(pín)率實現流量(liàng)測量的(de)流量(liàng)計.在具有(yǒu)旋渦(wō)發生(shēng)體的(de)流場中,當(dāng)兩(liǎng)旋渦列(liè)之(zhī)間(jiān)的距(jù)離h與同列(liè)的兩(liǎng)旋渦(wō)之間(jiān)的距(jù)離l之(zhī)比(bǐ)滿足h/l=0.281時,形成(chéng)卡門渦(wō)街(jiē)如圖1所示.大量實驗證明:在一(yī)-定的雷諾數範(fàn)圍内,穩定的旋(xuán)渦發生(shēng)頻率ƒ與(yǔ)旋渦(wō)發生(shēng)體側(cè)流速u與(yǔ)旋渦發(fā)生體的(de)柱寬d有(yǒu)如下确定的關(guān)系:ƒ=(u/d)st.式中st爲斯特(tè)勞哈爾數(shù)(無綱(gāng)量),對于(yú)一定形(xíng)狀的旋渦(wō)發生體,在一-定(dìng)的雷(léi)諾數範圍内是一個常數(shù).由于(yú)流體流量(liàng)與其(qí)流速(sù)之間存在線性關系,所以(yǐ)通過(guò)測量(liàng)旋渦(wō)發生(shēng)引起(qǐ)的流(liú)體振(zhèn)動(dòng)頻率，即(jí)可實現對流體流量的測量.
 
　　由(yóu)渦街流量(liàng)計(jì)的工作原理(lǐ)可見(jiàn)，渦街流量(liàng)計是利用流(liú)體自身(shēn)振動實現流體(tǐ)的測量的.而(ér)待(dài)測系統中(zhōng)存在(zài)的壓(yā)力(lì)脈動或(huò)外界的振動源(yuán)和噪(zào)聲源也會(huì)引起待測(cè)系統中流體的(de)振動(dòng),這些外來(lái)的振(zhèn)動信(xìn)号，或改變(biàn)旋渦振動(dòng)頻率(lǜ)，或直接進人二次儀表,造(zào)成計(jì)量誤差.理想情(qíng)況下，渦街(jiē)流量(liàng)計輸(shū)出正弦波(bō)信号,但實際上(shàng)由于(yú)流體流動(dòng)噪聲、機械振動(dòng)噪聲等千擾的(de)影(yǐng)響,它遠非理(lǐ)想的正(zhèng)弦波信(xìn)号，而是一個混(hùn)有強噪聲的混合信(xìn)号。
1.2懸浮式(shì)差動傳感器的(de)結構
　　在渦街流(liú)量計中,懸浮差(chà)動式流(liú)量傳感(gǎn)器的(de)安裝如圖(tú)2所示,傳感器b安(ān)裝在(zài)旋渦(wō)發生(shēng)體a的(de)後(hòu)面.傳感器的軸(zhóu)線(xiàn)與旋(xuán)渦發(fā)生體平行(háng),整(zhěng)個傳感(gǎn)器都(dōu)沉浸(jìn)在(zài)流(liú)體中[5].圖中的懸浮式(shì)差動傳感器在設計(jì)中使用了(le)4個壓電晶(jīng)體作(zuò)爲檢測元件，在(zài)平闆(pǎn)兩側對稱(chēng)固定(dìng)了兩個檢(jiǎn)測單元，以(yǐ)形成差動(dòng)結構.每個(gè)檢測單元外形爲一個半圓柱(zhù)型殼(ké)體，殼體内(nèi)具有(yǒu)與(yǔ)平闆軸(zhóu)線平(píng)行的通孔(kǒng),通孔(kǒng)内(nèi)有兩個(gè)尺寸、質量(liàng)和靈敏度系數(shù)都相(xiàng)同的壓電陶瓷(cí)片(piàn)，兩壓電陶瓷(cí)片之間(jiān)由一(yī)金屬質量塊(kuài)相連,該質(zhì)量塊與兩(liǎng)壓電(diàn)陶瓷(cí)片焊(hàn)接在(zài)一起組成一個剛(gāng)體(tǐ).金屬(shǔ)質量塊同(tóng)時也作爲(wèi)壓電陶瓷(cí)的輸(shū)出電極,引出檢(jiǎn)測信(xìn)号給(gěi)電荷(hé)放大電路.兩片壓(yā)電晶體(tǐ)采用并(bìng)聯式結(jié)構,如(rú)圖3所(suǒ)示,使輸(shū)出電荷(hé)量加倍,以(yǐ)達到增大(dà)渦街(jiē)流量信号(hào)的目的(de).
 
　　每個檢測單元(yuán)的_上”下兩個壓電陶瓷(cí)片在(zài)安裝(zhuāng)時必(bì)須具(jù)有相等的(de)受壓預緊(jǐn)力，以保證由兩個壓電陶瓷(cí)片(piàn)與金(jīn)屬質(zhì)量(liàng)塊形成(chéng)的剛體中(zhōng)會形(xíng)成一(yī)個(gè)内(nèi)應力(lì)分界(jiè)面.由(yóu)于金(jīn)屬(shǔ)質(zhì)量塊(kuài)具有(yǒu)一定(dìng)的厚度，所(suǒ)以内(nèi)應力分界(jiè)面一定會(huì)在金(jīn)屬質量塊(kuài)的内部,而(ér)兩(liǎng)個(gè)壓電(diàn)陶瓷片(piàn)又(yòu)是嚴(yán)格對(duì)稱匹(pǐ)配的(de)，因此,可(kě)以在結(jié)構上保證在受(shòu)到相等(děng)的力的(de)作用(yòng)時(shí),這(zhè)兩個壓電(diàn)陶瓷片能(néng)夠産生相等的(de)電荷(hé).
1.3懸浮式差(chà)動傳(chuán)感器的抗幹擾(rǎo)工作原理
1.3.1懸浮式結構對振動幹擾的抑(yì)制
　　懸浮式結構對于流場中的(de)振動幹擾(rǎo)噪聲(shēng)可以實現有效(xiào)的抑制(zhì).管道在(zài)外界幹擾(rǎo)作用(yòng)下(xià)産生的(de)振動(dòng)總是可(kě)以分解爲如圖(tú)4所(suǒ)示的(de)三個方向，即方(fāng)向a----與旋渦(wō)升力方(fāng)向(xiàng)相同、方向(xiàng)b----與流體流(liú)動方向垂直、方(fāng)向c--與(yǔ)流體流動方向平行(háng).根據(jù)懸浮(fú)式差動傳感器(qì)結構(gòu)與(yǔ)安(ān)裝方(fāng)式，可知方(fāng)向b與(yǔ)方向c上(shàng)的振動(dòng)幹擾不會産生(shēng)噪聲(shēng)信(xìn)号,隻有(yǒu)方向a的振(zhèn)動幹(gàn)擾可引(yǐn)起傳感(gǎn)器殼體(tǐ)的跟随(suí)振動.此時,由于(yú)傳感(gǎn)器中金屬(shǔ)質量塊的慣性作用，檢測單元(yuán)中上(shàng)下對稱的兩個壓電陶瓷片(piàn)會分别(bié)受到(dào)壓力(lì)和拉力的(de)作用(yòng),這使得兩(liǎng)個壓電陶(táo)瓷片(piàn)分别産生極性(xìng)相反的正負電(diàn)荷信(xìn)号.由于兩(liǎng)個壓電(diàn)陶瓷片采用并(bìng)聯結構,所以當上(shàng)下兩(liǎng)個壓電陶瓷片(piàn)的信号在(zài)金屬質量(liàng)塊(kuài)中(zhōng)相加(jiā)時,幹(gàn)擾信号所(suǒ)産生(shēng)的電荷信(xìn)号會(huì)相互抵消(xiāo),傳感器起(qǐ)到了自減振的(de)作用,從而極(jí)大地削(xuē)弱了此(cǐ)方(fāng)向的(de)幹擾信(xìn)号.
 
1.3.2差動(dòng)式結構對振動(dòng)幹擾的抑制
　　如(rú)圖3所示(shì)，當旋渦(wō)流經(jīng)傳(chuán)感器時，旋(xuán)渦産生(shēng)的交(jiāo)變壓(yā)力作用在(zài)兩個檢測單元(yuán)的彈性膜片上(shàng),使兩側的(de)壓電(diàn)陶瓷(cí)片交替産(chǎn)生電荷.兩個檢(jiǎn)測單(dān)元(yuán)會輸出帶有噪(zào)聲(shēng)的正(zhèng)弦信(xìn)号si與s2,如圖(tú)5所示.由于兩個(gè)檢測單元(yuán)的對(duì)稱性,使得(dé)st與s2信(xìn)号中(zhōng)所含的渦街流量信(xìn)号的幅值與(yǔ)頻(pín)率相(xiàng)同、相位(wèi)相差(chà)180°;又因爲(wèi)管道(dào)振動(dòng)、流場(chǎng)脈(mò)動(dòng)等引(yǐn)起的(de)幹(gàn)擾振動對兩側的(de)壓電(diàn)陶瓷片的作用(yòng)是一(yī)緻(zhì)的(de),所以(yǐ)s1與s2信(xìn)号(hào)中所含(hán)幹擾信号爲幅值、頻(pín)率與相位(wèi)都相同的(de)共模信号(hào).在采(cǎi)用差(chà)動式電荷(hé)放大(dà)前置(zhì)放大電路(lù)中,輸出(chū)信号隻(zhī)含有(yǒu)差(chà)模(mó)信号(hào)s1-s2,從而有效地抑制了(le)振(zhèn)動幹擾(rǎo).
 
2實驗結(jié)果
　　圖6與(yǔ)圖7分别爲傳統(tǒng)渦街流量計與(yǔ)使用(yòng)了懸(xuán)浮式差動傳(chuán)感器的(de)渦街(jiē)流量(liàng)計在(zài)管道受到外力敲擊(jī)時的(de)渦街(jiē)流量信(xìn)号(該信号爲(wèi)經差動放(fàng)大後的信号).由(yóu)圖6可見,傳統渦(wō)街流量計對振(zhèn)動非常敏(mǐn)感，渦(wō)街流量(liàng)信号中(zhōng)疊加(jiā)了很強的(de)幹擾(rǎo)信(xìn)号(hào).而在使用了懸浮式差動傳感(gǎn)器的(de)渦街(jiē)流量計中,管道(dào)受到敲擊(jī)時的幹(gàn)擾被大(dà)大削弱,在(zài)經(jīng)差(chà)動放大後幾乎(hū)沒有幹(gàn)擾信号(hào).
 
結論
　　爲了使渦街流(liú)量(liàng)計能夠測量低流速、小流量的信(xìn)号,必(bì)需盡量(liàng)提高有(yǒu)效流(liú)量(liàng)信(xìn)号的(de)幅(fú)值,而降(jiàng)低幹(gàn)擾噪聲的(de)幅值,即提高(gāo)信号的(de)信噪(zào)比(bǐ).我們的工作針對一次(cì)儀表展開,提出(chū)了一種新穎的(de)傳感器結(jié)構懸浮式差動傳感器.實驗證明,該傳感器可使渦(wō)街信号的信噪(zào)比大(dà)大提(tí)高,從(cóng)而使現(xiàn)有(yǒu)渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)抗幹擾(rǎo)性(xìng)能(néng)得以極(jí)大的(de)改善.它(tā)對(duì)于渦街流量計的理(lǐ)論(lùn)研究及(jí)工程應用都具(jù)有重要的(de)意義(yì).

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