摘(zhai)要:采用壓電(dian)晶體傳感器(qì)利用卡門渦(wō)街原理，一種(zhǒng)氣體流量計(ji) 的結構，分别(bie)對氣體流量(liàng)測量儀結構(gou)的各個部分(fen)進🥵行了分析(xī)。并對壓電晶(jing)體産生的電(dian)荷信号進行(háng)處理，分析和(hé)設計各個環(huan)節的電路。該(gāi)流量計所用(yong)檢測壓電元(yuán)件不接觸氣(qi)體，适于惡劣(liè)環境、不易結(jie)垢，耐高溫、高(gao)壓、安全防爆(bào)，适用于測量(liàng)封閉管道的(de)氣體累計流(liú)👅量和瞬時流(liú)量。
1氣體流量(liang)的測量方法(fa)
國内儀表市(shì)場氣體流量(liàng)計常見的主(zhǔ)要是以下幾(ji)類：
（1）差壓式流(liu)量計
　　差壓式(shi)流量計 是以(yi)伯努利方程(cheng)和流體連續(xu)性方程爲依(yī)據，根據㊙️節💛流(liu)原🛀🏻理，當流體(tǐ)流經節流件(jiàn)時(如标準孔(kong)闆、标準噴嘴(zuǐ)、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴(zui)、文丘利噴嘴(zui)等)，在其前後(hou)産生壓差🐇，此(ci)差壓值與該(gāi)流量的平方(fāng)成正比。隻要(yao)能把節流機(ji)構前後的壓(ya)差p1-p2取出來㊙️，就(jiu)可以測出流(liu)量。
（2）渦輪流量(liàng)計
　　渦輪流量(liàng)計 是比較正(zhèng)确的一種流(liu)量檢測裝置(zhi)。當流體流經(jing)渦輪流🏃🏻‍♂️量傳(chuan)感器時，在流(liu)體推力作用(yong)下渦輪受力(li)旋轉，其轉速(su)與管道平👄均(jun)流💃🏻速成正比(bǐ)，渦輪流量計(jì)的理論流量(liàng)方程爲

　　式中(zhōng)，nT爲渦輪轉速(su)；qv爲體積流量(liang)；A爲流體物性(xing)(密度、粘度等(deng))，渦輪結構參(cān)數(渦輪傾角(jiǎo)、渦輪直徑、流(liú)道截面積等(deng))有關的參數(shù)；B爲與渦輪頂(dǐng)隙、流體流速(sù)分布有關的(de)系‼️數；C爲與摩(mo)擦力矩有關(guān)的系數。
（3）渦街(jiē)流量計
　　渦街(jie)流量計 主要(yao)用于工業管(guǎn)道介質流體(tǐ)的流量測量(liang)，如氣體、液體(tǐ)、蒸氣📐等👉多種(zhǒng)介質。其特點(dian)是壓力損失(shī)小，量程🌈範圍(wei)大，精度高，在(zài)測量工🐉況體(ti)積流量時幾(ji)乎不受流體(ti)密度、壓力、溫(wēn)度、粘度等參(can)數的影響。無(wu)可動機械零(líng)件，因此可靠(kào)性高，維護量(liang)小，儀表參數(shu)能長期📧穩定(dìng)。渦街流💯量計(ji)流量方程可(ke)用下式🍓表示(shi)

　　式中，f爲旋渦(wō)的釋放頻率(lü)；v爲流過旋渦(wo)發生體的流(liú)體❄️平🙇🏻均速度(dù)😘；d爲旋渦發生(sheng)體特征寬度(dù)；St爲斯特羅哈(ha)數，無量綱，它(ta)的數值範圍(wéi)爲0.14－0.27。
（4）超聲波流(liu)量計
　　超聲波(bo)流量計 由超(chao)聲波換能器(qì)、信号處理電(diàn)路、單片機控(kòng)制系統3部分(fèn)組成。在有氣(qì)體流動的管(guan)道中，超聲脈(mo)沖順流㊙️傳播(bō)的速度要比(bǐ)逆流時快。流(liu)過管道的氣(qì)體速度越快(kuai)，超💃🏻聲順流和(he)逆流傳播的(de)時間差越大(dà)。分爲時差式(shi)(測量順流和(he)逆流傳播的(de)時間差)、相差(chà)式(測量📧順流(liú)和逆流♉傳播(bo)的相位差)、頻(pín)差式(測量順(shun)流和逆😄流傳(chuán)播的循🔞環頻(pin)率差)、多普勒(lè)超聲波流量(liang)計(以物理學(xué)中的🈚多普勒(le)效應爲工作(zuò)原理，适合于(yu)對兩相流的(de)測量)。
（5）容積式(shì)流量計
　　容積(jī)式流量計又(you)稱排量流量(liang)計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱PD流量(liàng)計或PDF，在流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liang)㊙️儀表‼️中是精(jīng)度最高的一(yi)類。它利用機(ji)械測量元件(jian)把流體連續(xù)不斷地分割(gē)成單個已知(zhī)的體積部分(fèn)，根據計量室(shì)逐次🔞、重複地(di)充滿和📧排放(fàng)該體積部分(fèn)流體的次數(shù)來測量流量(liàng)體積總量。容(rong)積式流量計(ji)的理論流量(liang)計算公式

　　式(shi)中，q爲工況下(xia)的體積流量(liàng)，m3/s；n爲旋轉體的(de)流速，周/s；V爲旋(xuan)轉🐪體😍每🌈轉🍉一(yi)周所排流體(ti)的體積，m3/周。
　　采(cai)用渦街流量(liang)計測量高溫(wēn)氣體的流量(liang)，下面通過🎯分(fèn)析氣體流量(liang)傳感器測量(liang)氣體的原理(lǐ)，設計其結構(gou)部分，采👅用雙(shuāng)壓電晶體作(zuò)爲傳感技術(shù)，測量其頻率(lü)信号。
2渦街流(liu)量計工作原(yuán)理與結構設(she)計
2.1工作原理(lǐ)
　　渦街流量計(jì)是利用流體(tǐ)力學中卡門(men)渦街原理制(zhì)🛀🏻作的一🏃‍♂️種儀(yí)表，如圖1所示(shì)。

　　把一個非線(xian)性對稱形狀(zhuang)的物體（如圓(yuan)柱體、三角柱(zhu)體♍、矩形柱體(tǐ)、六面柱體等(děng)，以下簡稱漩(xuán)渦發生體）垂(chui)直插在管道(dao)中，流體繞過(guò)漩渦發生體(tǐ)時，出現了附(fu)面層分離，在(zai)漩渦發生體(tǐ)左右兩側的(de)後方會産生(shēng)漩渦，形成渦(wō)列。
　　由于漩渦(wō)之間相互影(ying)響，漩渦列一(yī)般是不穩定(dìng)的，但卡門從(cong)理論上證明(míng)了當兩漩渦(wo)列之間的距(ju)離h與同列的(de)2個漩渦之♋間(jiān)的🏒距離L滿足(zu)公式h/L=0.281時，非對(duì)稱的漩渦列(liè)就能保持穩(wen)定。此時漩渦(wo)的頻率f與流(liu)體🍉的流速及(jí)🐆漩渦發生🔅體(tǐ)的寬度d有下(xià)述關系

式中(zhōng)
v1———柱體兩側處(chù)的流速(m/s)；
d———柱體(tǐ)迎流面最大(dà)寬度(m)；
Sr———無量綱(gang)數，在柱體形(xíng)狀确定後，在(zai)一定的雷諾(nuò)數範㊙️圍内✍️爲(wèi)常✉️數♻️，稱爲斯(sī)特勞哈爾(Strouhal)數(shù)。
根據流動的(de)連續性，可知(zhi)

式中
S1———柱體兩(liang)側流通面積(jī)(m2)；
S———管道整個流(liu)通面積(m2)；
v———管道(dao)内流體的平(píng)均流速(m/s)。
設流(liu)通面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認爲(wei)n=1-1.25d/D），則

2.2結構設計(jì)
　　氣體流量計(jì)由傳感器和(he)轉換器2部分(fen)組成，如圖2所(suǒ)❗示。

　　圖中傳感器(qi)包括旋渦發(fa)生體(阻流體(ti))、檢測元件、儀(yi)🔞表表💚體等；轉(zhuan)換器包括前(qian)置放大器、濾(lǜ)波整形電路(lu)⛹🏻‍♀️、D/A轉換電路、輸(shū)出接口電路(lu)、端子、支架和(hé)防護罩等。旋(xuán)渦發生體是(shì)檢測器的主(zhǔ)要部🔱件，它與(yǔ)😍儀表的流量(liàng)🔞特性(儀表系(xi)數、線性🈲度、範(fàn)圍度等)和阻(zu)力特性(壓力(li)🙇‍♀️損失)密切相(xiàng)🤟關，應選用優(yōu)良的材料，并(bìng)使之具有良(liang)❄️好的機械性(xìng)能和抗腐蝕(shí)性能。
　　氣體流(liú)量計采用壓(ya)電元件作爲(wèi)檢測元件。采(cai)用第一♈種檢(jiǎn)測方式。檢測(cè)元件密封安(an)裝在發生體(tǐ)内部🎯，不接觸(chu)被測氣體。
3壓(yā)電晶體測量(liàng)原理
3.1壓電傳(chuán)感器的結構(gòu)形式
　　在壓電(diàn)傳感器中，常(chang)采用2片或2片(piàn)以上的壓電(diàn)材料組合一(yī)起🚶‍♀️使用的2種(zhǒng)不同結構形(xing)式。一是2片壓(ya)電片負極都(dou)集中于中間(jian)電極上，而正(zheng)極分别在上(shàng)下2面電極上(shang)的并聯連接(jie)形式。此時，輸(shu)出電容Ca'=nCa（n爲并(bing)聯壓電材料(liào)片👅數，Ca爲單片(piàn)🥵電容）；輸出電(diàn)壓Ua'=nUa（Ua爲單片的(de)電壓）；輸出電(dian)荷Q'=nQ（Q爲單片電(dian)荷）；二是各單(dān)片壓🥰電元件(jiàn)正負♍極性順(shun)序相連接的(de)串聯連接😄方(fang)式。此時，輸出(chū)🏃電荷Q'=Q（Q爲單片(piàn)電荷）；輸出電(dian)壓U'a=nUa(Ua爲各片的(de)電🔞壓)；輸出電(dian)容C'=Ca/n（Ca爲單片電(dian)容）。顯然，并聯(lián)接法的輸出(chu)電荷量㊙️大，本(ben)身的💘電容也(ye)大。因此，其時(shi)間常數大（τ=CaR），适(shi)宜于測量緩(huǎn)慢變化的信(xìn)号，并且還💰适(shi)用于以電荷(he)爲輸出量的(de)場合。
3.2壓電傳(chuan)感器的測量(liàng)電路
　　由于壓(yā)電傳感器的(de)内阻抗很高(gāo)、輸出電信号(hào)很弱，一般需(xu)将電信号經(jīng)高輸入阻抗(kàng)的前置放大(da)器放大再進(jin)行傳輸、處理(li)和測👨‍❤️‍👨量。前置(zhì)放大器的主(zhǔ)要作用是将(jiang)壓電信号經(jīng)過前置放大(da)器的阻抗變(biàn)換成低阻抗(kàng)輸出，也起到(dao)放大弱信号(hao)的作用。壓電(dian)傳感器的輸(shū)出信号經過(guò)前置放大器(qì)的阻抗變換(huan)和放⭕大後，就(jiù)可以㊙️采用一(yī)般的放大🚶‍♀️、檢(jiǎn)波指示或通(tong)❓過功率放大(da)至紀錄和數(shu)據處理設備(bei)。
　　按照壓電式(shi)傳感器的工(gōng)作原理及其(qi)等效電路，傳(chuán)感器可堪稱(cheng)電壓發生器(qì)，也可以看作(zuò)是電荷發生(sheng)❗器。因此前置(zhi)放大器也有(you)🈲2種形式：一種(zhǒng)是電壓放大(da)器，一般稱作(zuo)阻抗變換器(qì)，其輸出電壓(yā)與輸入電壓(yā)成比例；另一(yī)種是電荷放(fàng)大器，其輸出(chū)電壓與輸入(ru)🈲電荷成比例(lì)。
4結語
　　當前國(guo)内外幾種流(liú)量計應用的(de)基礎上，采取(qǔ)渦街流⛷️量計(jì)測量流量的(de)原理測量高(gāo)溫氣體的流(liú)量。針對壓電(diàn)傳感器進行(háng)分析🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，利用壓(ya)電晶體進行(háng)測量的原理(li)👄，并對其壓電(dian)傳感器的結(jie)構形式進行(háng)分析。

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