摘要(yào):從渦街流量計 的基本工作原(yuán)理展開,介(jiè)紹了(le)渦街流量計抗(kàng)電磁幹(gàn)擾和機(jī)械振動(dòng)幹擾的(de)措施(shī),采(cǎi)用這種辦法，可以有效(xiào)擴展渦街(jiē)流量(liàng)計的量程下限(xiàn),從而改進其性能。
1引言
　　在(zài)衆多(duō)的流量(liàng)檢(jiǎn)測解(jiě)決方案中,渦街(jiē)流量計由(yóu)于測(cè)量精度(dù)高，壓力損失小,安(ān)裝方(fāng)便,不受被測介(jiè)質物(wù)理性質的(de)影響,信号(hào)便于(yú)遠傳(chuán)等特點,應用技(jì)術日趨完(wán)善,尤其在大管(guǎn)徑和水、油等(děng)液(yè)體介質(zhì)的(de)流量測量方(fāng)面應用(yòng)更加廣泛(fàn)。
　　渦街流量計是基于(yú)流體動力學(xué)中的卡門(mén)渦(wō)街原(yuán)理制成(chéng)的(de)。在一(yī)定的(de)雷諾(nuò)數範(fàn)圍内,流(liú)體的流(liú)速或(huò)體(tǐ)積流(liú)量(liàng)和旋渦(wō)頻率成(chéng)正比(bǐ)而(ér)與流體(tǐ)的物(wù)理性質(壓力、溫度、密度等(děng))無關,即:
q=kƒ
　　式(shì)中:q爲一體積流量;k爲(wèi)儀表常(cháng)數(shù);ƒ爲旋(xuán)渦頻(pín)率(lǜ)。根(gēn)據上(shàng)述測量原理,渦(wō)街流(liú)量(liàng)計的一個特(tè)點就是易受電磁和機械(xiè)振動的幹擾,由此造(zào)成在(zài)一些(xiē)場合限制了渦街流量計的正(zhèng)常使(shǐ)用,這也是(shì)渦街流量計的(de)工作條件(jiàn)。解決(jué)抗幹擾問題是(shì)擴展量程(chéng)下限、改進渦(wō)街流量(liàng)計的(de)有效途徑(jìng)。
2工作(zuò)條件
　　渦街(jiē)流量計的(de)阻(zǔ)流(liú)體以壓電(diàn)晶體檢測旋(xuán)渦頻率(lǜ),所得壓電信号經交流放(fàng)大和觸發器,将旋渦(wō)頻率變(biàn)成(chéng)脈沖信号(hào)。脈(mò)沖信号(hào)送到二次(cì)儀表(biǎo)經換算後顯示(shì)被測(cè)流量。其(qí)中(zhōng)，交流放大(dà)器的(de)放大倍數k和觸(chù)發器(qì)的門(mén)限電(diàn)壓u可(kě)以調(diào)整，如(rú)圖1所(suǒ)示。
 
　　圖1中信(xìn)号電壓爲(wèi)e、幹擾(rǎo)信号折(shé)算(suàn)到輸(shū)人端爲(wèi)v、門(mén)限電(diàn)壓u折算到輸人(rén)端爲u、交(jiāo)流(liú)放(fàng)大(dà)倍數(shù)爲k.因u=uk,故調(diào)整k或者(zhě)u的(de)效果(guǒ)是相同的。爲了(le)使門(mén)限電壓能(néng)阻止幹(gàn)擾信号(hào)以保證觸發器能輸出(chū)有效信(xìn)号,必(bì)須(xū)使(shǐ)幹擾信号v小于(yú)門限(xiàn)電壓u,而有(yǒu)效(xiào)信号電(diàn)壓e大(dà)于門(mén)限電壓(yā)u,即渦街流量計的工作(zuò)條件是:
e>u>v
　　幹擾信号v的(de)大小(xiǎo)決定(dìng)渦街流量(liàng)計的(de)量程(chéng)下限。因此(cǐ)擴展渦(wō)街流量計(jì)的(de)量程下限(xiàn)必須從降低幹擾信号v入手。調整交流放大倍(bèi)數k隻(zhī)能對輸出(chū)信号加(jiā)
強(qiáng)，而量(liàng)程下限并不(bú)能得到擴展(zhǎn)。
3抗幹擾措施
　　渦(wō)街流(liú)量計(jì)的幹擾信(xìn)号(hào)主要有電磁(cí)千擾和機(jī)械(振動幹擾(rǎo)兩種,如(rú)何解決這(zhè)兩種抗千擾(rǎo)問題就成爲改進渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)關鍵(jiàn)。
　　渦街流量(liàng)計通常采(cǎi)用(yòng)金屬外(wài)殼,外殼的屏蔽效應(yīng)可(kě)以(yǐ)防止(zhǐ)電場(chǎng)和射頻幹(gàn)擾;對于磁(cí)場的幹擾(rǎo),可以(yǐ)在内(nèi)部電路設計中(zhōng)通過優選(xuǎn)非磁(cí)性元件、印刷電(diàn)路闆合理布線(xiàn)等辦法解決,随(suí)着電(diàn)子技(jì)術的(de)發展和制造工(gōng)藝的完善也不(bú)成問題。因(yīn)此抗電磁(cí)幹擾(rǎo)主要(yào)是抗地線電流(liú)幹(gàn)擾。
　　渦街流量(liàng)計的壓(yā)電晶(jīng)體(tǐ)裝在阻流(liú)體結(jié)構上,壓電晶體(tǐ)的一端接(jiē)外殼,故信号(hào)前(qián)置放(fàng)大器必然(rán)接地(dì)。渦街流量計的(de)輸出信(xìn)号(hào)送到(dào)二次儀表(biǎo),而信(xìn)号放大所(suǒ)需的(de)直流電(diàn)源(yuán)又(yòu)由(yóu)二次(cì)儀表提供。壓電(diàn)晶體的地線與二次(cì)儀表(biǎo)的地(dì)線之(zhī)間極(jí)可能存(cún)在(zài)跨步(bù)電壓(yā)形成(chéng)電流(liú)。這個電流(liú)在信号放(fàng)大器(qì)的地(dì)線中流過就會(huì)有壓(yā)降,這個壓(yā)降與有效(xiào)信号叠加在(zài)一起,無(wú)法分(fèn)離,就是地(dì)線電流(liú)幹(gàn)擾。
　　地(dì)線電流幹(gàn)擾的解決措(cuò)施是減(jiǎn)小或消(xiāo)除了地(dì)線電(diàn)流，最徹底的辦法是(shì)把二(èr)次儀表來的直(zhí)流電源隔(gé)離。即(jí)将直(zhí)流(liú)電(diàn)源經(jīng)變壓(yā)器隔(gé)離後(hòu)再整(zhěng)流成直流(liú)供給渦街流量(liàng)計,使(shǐ)二次儀表(biǎo)的地線與壓電晶體(tǐ)的地線之(zhī)間無(wú)任何(hé)電氣連接(jiē)。同時有效(xiào)測量(liàng)信号經前置放大後變成(chéng)脈沖(chòng)信号,經脈沖變壓器輸至(zhì)二次儀表,根(gēn)本(běn)上消除(chú)地(dì)線電流的(de)影(yǐng)響，是一(yī)種極(jí)其(qí)有效的(de)抗(kàng)幹擾(rǎo)措(cuò)施。然(rán)而變壓器隔離(lí)的辦法成(chéng)本相(xiàng)對較高(gāo),體(tǐ)積又(yòu)大,制(zhì)造工(gōng)藝上不容易實(shí)現,大(dà)大降低了(le)實用(yòng)性。光(guāng)隔離(lí)限流(liú)抗幹擾措施,能(néng)有效(xiào)減小地線(xiàn)電流的千(qiān)擾。原(yuán)理如(rú)圖2所示(shì)。
 
　　圖(tú)中，a是(shì)壓電(diàn)晶體的接地點,b是二(èr)次儀表(biǎo)的(de)接地(dì)點(diǎn)。在(zài)地(dì)線回路(lù)中接人電阻r,于是a、b兩點間的地線電流(liú)被(bèi)電阻(zǔ)r限制(zhì),a、b兩點間的電壓降在電阻(zǔ)r兩端。電阻(zǔ)r兩端(duān)的電壓降(jiàng)反映(yìng)到電源正線上(shàng)則被三端穩壓器r阻擋,前置放(fàng)大器地線回(huí)路(lù)的電(diàn)阻比電阻(zǔ)r小很多，由于電阻r的(de)分(fèn)壓(yā)作用(yòng),渦街流(liú)量(liàng)計的(de)前置放(fàng)大級器(qì)地線中隻有很(hěn)小的(de)地(dì)線電流(liú)。壓電晶體(tǐ)的有(yǒu)效信(xìn)号經放大(dà)後,由光隔(gé)離器(qì)件隔(gé)離(lí)輸出，采(cǎi)用這(zhè)種辦法地線電流(liú)的幹擾(rǎo)至少可以降低(dī)一個(gè)數量(liàng)級。
　　可(kě)以看出,使用光(guāng)隔離限(xiàn)流(liú)抗幹(gàn)擾時(shí)爲了使電源電壓(yā)有(yǒu)足夠(gòu)的餘量以阻擋(dǎng)跨步(bù)電壓,信号(hào)放大器的地線與壓(yā)電晶體的(de)地線之間(jiān)必須很好(hǎo)連(lián)接,才能(néng)保證前置(zhì)放大(dà)器地(dì)線回路電(diàn)阻極小。同時直流(liú)電源電壓的(de).選擇應符合下式:
v1-v2-vr≥v2ƒ
　　式中(zhōng):v1爲電源(yuán)電壓;v2爲(wèi)放大器(qì)用的電壓;vr爲三(sān)端穩壓器vr的最(zuì)低電(diàn)壓;v2ƒ爲電(diàn)阻r兩端交流(liú)電壓(yā)雙峰(fēng)值(zhí)。
　　機械振(zhèn)動對渦街流量計的(de)幹擾更爲(wèi)普遍(biàn)，抗(kàng)機械振(zhèn)動千擾(rǎo)的(de)措施(shī)還要從(cóng)渦街流量計的基本原(yuán)理人手(shǒu)。
　　渦(wō)街流(liú)量計(jì)的(de)敏(mǐn)感(gǎn)元(yuán)件即(jí)壓電晶體(tǐ),封裝(zhuāng)在(zài)阻流體(tǐ)或稱旋(xuán)渦(wō)發生(shēng)體内(nèi)，流(liú)體流經(jīng)阻流體時,阻流(liú)體兩側(cè)交替産(chǎn)生旋渦，旋渦的(de)脈動壓力作用(yòng)于(yú)壓電晶體，使(shǐ)其産生與(yǔ)旋(xuán)渦頻率或測(cè)量流量對應的信号電壓(yā),經放(fàng)大、觸發等(děng)信号處理(lǐ)後轉(zhuǎn)換成脈沖(chòng)信号輸(shū)出(chū)。同時(shí),管道的機(jī)械振動也(yě)同樣作用于壓電晶體,使(shǐ)其産生對應于(yú)振動頻率(lǜ)的信(xìn)号,這個振(zhèn)動幹擾信(xìn)号與流量測量(liàng)有效信号(hào)無法分開(kāi)。隻有當有效信(xìn)号幅(fú)值超過幹擾信(xìn)号幅值時,才能(néng)由門限(xiàn)取(qǔ)出有(yǒu)效信(xìn)号。機(jī)械振(zhèn)動幹(gàn)擾信号的(de)最大幅值就成(chéng)爲被(bèi)測(cè)流(liú)量的(de)信号幅值(zhí)下限(xiàn),即量程下(xià)限。
　　爲了使渦街(jiē)流量(liàng)計盡可能(néng)測量(liàng)低流(liú)速、小流量(liàng),必須提高(gāo)信噪(zào)比，即盡量提高(gāo)有效流量信号(hào)的幅值而(ér)降低(dī)機械振動(dòng)幹擾(rǎo)信号的(de)幅值。改(gǎi)進阻(zǔ)流體的結(jié)構形(xíng)狀,使(shǐ)傳感(gǎn)器能更好地接收旋(xuán)渦的(de)脈動(dòng)壓力,可使(shǐ)有效(xiào)信号幅值提高(gāo)。但更有效(xiào)的辦法是(shì)在(zài)旋渦發(fā)生體(tǐ)的兩(liǎng)側封(fēng)裝對應的兩塊(kuài)壓電晶(jīng)體,即(jí)采用差動壓電傳(chuán)感器(qì)和(hé)差動放(fàng)大電(diàn)路(見(jiàn)圖3)。由(yóu)于機械振(zhèn)動對(duì)2塊壓(yā)電晶(jīng)體的(de)作用力是--緻的,而流體旋(xuán)渦在(zài)阻流(liú)體兩(liǎng)側是(shì)交替(tì)産生的,通(tōng)過差動放大後(hòu),2塊壓電晶體相(xiàng)同的機械(xiè)振動(dòng)信号相互抵消(xiāo)削減,2塊(kuài)壓電晶(jīng)體相反的流量(liàng)信号(hào)相加(jiā)後增(zēng)強。于是,大大降(jiàng)低了(le)機(jī)械(xiè)振動信号的幹擾。
 
4結(jié)束語
　　電磁于(yú)擾和機械振(zhèn)動幹(gàn)擾是渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計的(de)重要幹擾(rǎo)因(yīn)素,限制了量(liàng)程下降,影響渦(wō)街流量(liàng)計(jì)在低流速、小流量測(cè)量中的使用。通過在(zài)電路上設(shè)計采用光隔離限流抗幹(gàn)擾措(cuò)施,可以有(yǒu)效解決地(dì)線電流的(de)幹擾，解決(jué)抗電(diàn)磁幹擾的主要(yào)問題;結(jié)構(gòu)設計上采(cǎi)用雙壓電晶體的差動壓電傳感(gǎn)器和差(chà)動放大電路(lù)可(kě)消除機械振動的幹(gàn)擾(rǎo)。以上兩(liǎng)種抗幹擾措施(shī)共同(tóng)采用(yòng)的結(jié)果,可(kě)以将渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計(jì)的量程(chéng)下限擴(kuò)展至原(yuán)量程下限(xiàn)的1/2~1/3。

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