摘要:針對(duì)渦街流量(liàng)計 抗幹擾(rǎo)性能差.量(liàng)程窄的問(wen)題，研制了(le)一種抗幹(gàn)擾性能優(yōu)的通用渦(wo)街流量傳(chuan)感器,從渦(wo)街信号的(de)源頭加以(yi)改進，提高(gāo)了渦街💃🏻信(xin)号的信噪(zào)比和靈敏(min)度;并對渦(wo)街流量傳(chuán)感器輸出(chu)信号的過(guò)程導線及(ji)初級信号(hào)處理電路(lù)的信号屏(píng)蔽和保護(hù)措👉施加以(yǐ)改進;研制(zhì)的樣機經(jing)氣體流🐅量(liang)标準裝置(zhi)等設備測(ce)試🔆驗證,不(bu)僅能抵♈抗(kàng)1.5g以下的機(ji)械振動幹(gàn)擾,而且實(shi)現👄了大于(yu)20:1的寬量程(chéng)比性能。
0引(yin)言
　　渦街流(liú)量計是20世(shi)紀70年代才(cai)發展起來(lai)的一種新(xīn)型的流量(liang)🚶‍♀️儀表🌐，因其(qí)有許多優(you)點，吸引了(le)國内外衆(zhōng)多研究者(zhe)和企業的(de)關注，目前(qián)已發展成(cheng)爲主流流(liu)量儀表之(zhī)一，但因起(qǐ)步晚📧、經驗(yan)不足，目前(qian)存在的主(zhu)要問題是(shi)量程不寬(kuān)(10:1左右)、抗幹(gàn)擾性能差(cha)等不足，因(yin)此🌈對它的(de)研究還在(zai)不斷地進(jìn)行，研究者(zhe)從許多方(fang)面對其進(jìn)行了深人(ren)的研究:①旋(xuán)渦發生體(tǐ)的研究葉(yè);②壓電傳感(gǎn)器探頭位(wei)置的研究(jiu)一氣;③數字(zi)信号處理(li)方法🔞的研(yan)究;，④渦街信(xìn)号☎️檢測方(fāng)法的研究(jiū)121);⑤數值仿真(zhēn)方法的研(yán)究。
　　上述研(yán)究方向多(duō)是的發生(sheng)體結構、傳(chuán)感器安裝(zhuang)位置或是(shi)在👅渦街電(diàn)信号的處(chù)理後期階(jie)段的方法(fa)研究，而❗對(duì)渦街電信(xìn)号👅産生的(de)源頭即渦(wo)街流量傳(chuan)感器本身(shen)及其輸出(chū)原始信号(hào)的🏃‍♂️保護方(fāng)面研究很(hen)少;渦街流(liú)量傳感器(qì)是渦街流(liu)量計的最(zuì)核心部件(jian)，它♻️的性能(néng)好壞🏃🏻‍♂️直接(jie)決定了渦(wo)街流量計(ji)💚的性能，而(ér)在㊙️此處的(de)研究和方(fāng)法是有效(xiào)提升抗幹(gàn)擾性能🌈擴(kuo)展量程的(de)關鍵點。
　　将(jiang)工作重點(dian)就放在這(zhè)個關鍵點(dian)上,即在壓(yā)電傳感⚽産(chan)生信号✔️的(de)源頭在抗(kàng)振動和屏(píng)蔽方面加(jia)以改進，一(yī)種抗幹擾(rǎo)性能好🙇‍♀️、輸(shū)出壓電信(xìn)号信噪比(bi)強的壓☀️電(diàn)式通用渦(wo)街流量傳(chuan)感器叫(簡(jiǎn)稱壓電傳(chuan)感器),如何(he)提高傳感(gǎn)器原始信(xin)号及其初(chu)級信号處(chù)理電路的(de)信号屏蔽(bì)保護措施(shī)。
1渦街流量(liang)計工作原(yuán)理
　　如圖1所(suǒ)示，管道中(zhong)垂直插人(rén)一個三角(jiǎo)形柱狀的(de)旋渦🏃‍♀️發生(shēng)體，随🍓着流(liú)體流動，當(dang)管道雷諾(nuò)數達到一(yi)定值時，在(zài)旋🔞渦發生(sheng)體兩側會(hui)交替地産(chǎn)生有規則(ze)的旋渦，這(zhe)種旋渦✍️稱(cheng)爲卡門渦(wō)街。

設旋(xuan)渦發生頻(pin)率爲f，旋渦(wō)發生體迎(ying)流面寬度(du)爲d,表🌂體通(tōng)徑爲D,根據(ju)卡門渦街(jie)工作原理(li)，可知:
f=SrU/d(1)
　　式中(zhong):f爲旋渦頻(pín)率;Sr爲斯特(te)勞哈爾數(shù);U爲旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速(sù);d爲旋渦發(fā)生體迎流(liu)面寬度。
　　流(liú)體産生的(de)這一漩渦(wō)周期性的(de)脫落引起(qǐ)對三角柱(zhu)🌈和渦🚩街傳(chuan)感器探頭(tou)周期性的(de)作用力。根(gen)據熱力學(xué)第一第二(er)定律和⛹🏻‍♀️庫(kù)塔儒科夫(fū)斯基升力(li)定理01,設作(zuò)用在旋渦(wō)發生體上(shang)的升力爲(wèi)FL有:

　　式中:CL爲(wei)升力系數(shu);p爲流體密(mì)度;U爲流體(ti)流速;A爲特(tè)征面積👉，即(ji)升力作用(yong)面積。由于(yu)交替地作(zuò)用在發生(sheng)體上升力(li)的頻率就(jiù)是❓旋渦的(de)脫落頻率(lü)，通過壓電(diàn)傳感器的(de)探頭扁☂️尾(wei)對FL升力及(ji)其變化頻(pin)🔞率的傳感(gǎn)和檢測，即(jí)可得到f，再(zai)由式
(1)可得(de)流體的流(liu)速和體積(jī)流量。
　　從式(shì)(1)、(2)可以看出(chu)如何提高(gao)渦街流量(liang)計的抗振(zhen)動性能和(hé)🌏擴展量程(cheng)比，關鍵看(kàn)壓電式渦(wo)街傳感器(qi)的探頭對(dui)F升力檢測(ce)📞的能力。是(shi)在改進壓(ya)電式渦街(jie)流量✊傳感(gan)器及其相(xiang)關技術來(lái)提高傳感(gǎn)器的測量(liang)小流量的(de)信噪比和(hé)靈敏度。
2拓(tuo)展量程的(de)研究方案(àn)和技改
2.1提(tí)高抗振動(dong)性能的研(yán)究和實現(xian)
　　由于流量(liàng)計與管道(dao)法蘭式剛(gāng)性連接，且(qie)流量計上(shàng)壓電式渦(wo)街流量傳(chuan)感器探頭(tou)也是與表(biao)體剛性連(lian)接，管☂️道的(de)振動會直(zhí)接傳導到(dào)壓電傳感(gǎn)器探頭上(shàng)🔞，産生和流(liu)量信号相(xiang)同機理的(de)振動幹擾(rǎo)信号;另外(wài)，振動也會(huì)導緻壓電(diàn)🌈傳感器的(de)導線、導線(xian)端子與電(dian)路連接觸(chu)電等部位(wèi)的振㊙️動，有(yǒu)可能通過(guò)某種機電(dian)🌍傳感機理(lǐ)，轉換爲電(dian)噪聲。所以(yi)研究渦街(jiē)傳感器自(zi)😘身的結構(gòu),提升自身(shēn)抗振動性(xing)能是提高(gao)渦街流量(liàng)計抗振動(dòng)幹擾性能(neng)👉的有效方(fang)法。若等到(dao)振動幹擾(rǎo)信号都疊(dié)加在流量(liang)型号上了(le)，再去想盡(jin)各種辦法(fa)去剔除幹(gan)擾信号💁，即(ji)不經🈲濟，也(ye)不理想。
　　爲(wèi)此，采用了(le)壓電傳感(gǎn)器與旋渦(wō)發生體(三(sān)角柱)分離(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼型🐅的🌍結構(gòu)方案，即研(yan)制了種小(xiǎo)尺寸懸臂(bi)梁凹結構(gou)的壓電式(shì)通用渦街(jie)流量傳感(gǎn)器(簡稱壓(yā)電傳感器(qi)),壓電傳感(gǎn)器結構如(rú)圖2所示，由(you)安裝👅法蘭(lan)盤、探頭扁(bian)尾、壓電元(yuan)件、铠裝導(dao)線、密封罩(zhao)、接線端子(zi)等組成。壓(yā)電傳感器(qi)通過中部(bu)的安裝法(fa)蘭盤與流(liú)量計殼體(tǐ)固定，下部(bu)的懸臂梁(liang)置于旋渦(wo)發生體内(nèi)的孔洞📱中(zhong)，壓電傳🍓感(gǎn)器的♍探頭(tou)扁🈲尾通過(guò)發生體兩(liang)側的側🙇‍♀️孔(kong)獲取旋渦(wō)升力作💃用(yòng)。并傳感出(chū)相應的渦(wō)街流量信(xìn)号。在懸臂(bì)梁内部，壓(ya)電元件機(ji)械封裝在(zai)探頭内🐆空(kōng)腔中，空餘(yu)空腔則無(wú)其它填充(chōng)物。壓電元(yuán)件通過㊙️剛(gāng)性結構的(de)铠裝導線(xian)将信👈号輸(shū)出到外部(bù)的接線🐆端(duan)子上，再通(tong)過接線端(duān)子将信号(hao)輸出到外(wai)部信号處(chu)理電路㊙️進(jin)行處理。當(dang)管道流體(ti)因漩渦發(fā)生體産生(shēng)渦街後，伴(bàn)随産生的(de)交變升力(lì)F,作用在懸(xuán)臂梁下💃🏻部(bù)的探頭扁(biǎn)尾上，懸🔞臂(bi)梁産生變(biàn)形并迫使(shi)内部的壓(ya)電元件也(ye)同步變形(xíng)，從而産生(shēng)出與交變(biàn)升力對應(yīng)的電荷,通(tong)過後續的(de)一系列信(xin)号處理電(diàn)👉路，最終獲(huò)得流量信(xin)息。

提高抗(kang)振動性能(néng)的設計方(fang)案及其分(fen)析:
(1)傳感器(qi)懸臂梁的(de)探頭部分(fen)按現有工(gong)藝和技術(shu)設計爲較(jiao)小的外徑(jìng)d和盡量短(duǎn)的長度L,并(bìng)且探頭内(nei)空腔采用(yòng)抽真空🥰無(wu)填充物封(fēng)裝結構，這(zhe)樣的結構(gòu)保證了該(gai)探頭懸臂(bì)梁的質量(liàng)最小，設其(qí)👉等效重心(xin)爲G點,質量(liàng)爲mc質點至(zhì)支撐點距(jù)離爲L2管道(dào)振動加速(sù)度爲a,振動(dong)加速度垂(chuí)直于探頭(tóu)軸線方向(xiang)㊙️的分量爲(wei)α2,則管道振(zhèn)動幹擾對(dui)懸臂梁的(de)彎矩Mc公式(shi)爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公式(shì)(3)可知，由于(yú)懸臂梁質(zhi)量的客觀(guān)存在,所以(yǐ)振動産生(sheng)的幹擾彎(wān)矩必然存(cun)在，但可以(yi)減小懸臂(bi)梁質量和(he)等效重💜心(xīn)的力臂♌L2長(zhǎng)度，在振動(dong)幹擾強度(du)不‼️變的情(qíng)況下，mc越輕(qing),作用力臂(bì)L2越小,振動(dong)幹擾産生(sheng)的彎矩Mc就(jiù)越小。
(2)如圖(tu)1所示，傳感(gǎn)器探頭插(chā)人在發生(shēng)體内的孔(kong)洞中，僅通(tōng)過發生體(ti)兩側的導(dǎo)壓孔傳導(dao)出旋渦升(sheng)力作用于(yú)探頭扁尾(wěi)，其他部位(wei)不受力;如(rú)圖2所示，設(she)旋渦🏃‍♂️升力(lì)的作用力(li)🌈臂爲L，旋渦(wo)升力作用(yòng)點爲B,作用(yòng)力爲Fe1,此時(shi)傳感器僅(jǐn)B點受旋渦(wō)升力作用(yong)，升力産生(sheng)的彎矩Mfea公(gong)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由公(gong)式(4)可知，此(cǐ)時的力臂(bi)L1最大，彎矩(ju)Mfel也最大，此(ci)時壓電傳(chuán)感器⛷️輸出(chu)的信号也(ye)最強。
(3)傳感(gan)器内部信(xin)号導線采(cǎi)用剛性結(jie)構的铠裝(zhuang)導線，該結(jié)構可保證(zheng)在機械振(zhen)動傳感器(qi)導線不彎(wān)曲和不抖(dǒu)動，導線部(bù)分所等效(xiao)⛱️的傳感器(qi)電容值也(yě)會固定不(bu)變，減少了(le)因振動源(yuán)引起的電(dian)噪聲的産(chan)生。
　　以上分(fen)析說明，該(gāi)壓電式渦(wo)街流量傳(chuan)感器感應(yīng)旋📐渦升力(li)🈚性能✨強，受(shòu)管道振動(dòng)影響弱。從(cóng)根本上提(ti)高🌐了測🐆量(liàng)小✏️流量的(de)靈敏度。
2.2提(ti)升抗電磁(cí)幹擾性能(neng)的研究和(hé)實現
　　壓電(diàn)式渦街流(liu)量傳感器(qi)在工作時(shi)輸出的電(diàn)荷信号✉️很(hen)弱💁，電壓✉️峰(feng)峰爲毫伏(fú)級，并且工(gōng)作在非諧(xié)振狀态，極(ji)易受🍉空間(jian)中的💯電磁(ci)幹擾後衰(shuāi)減，所以傳(chuán)感器的制(zhì)作既要保(bao)✨證它很高(gāo)的輸人阻(zǔ)抗，同時還(hai)需有良好(hǎo)的屏🔆蔽和(hé)接地要求(qiú)，以防止漏(lòu)電流引起(qǐ)的電🔞荷信(xin)号衰減和(he)電磁幹擾(rao)進人電荷(he)放大器的(de)輸人端。爲(wèi)此，研制的(de)這種通用(yong)渦街流量(liang)傳感器及(jí)❄️其信㊙️号處(chu)理電路采(cǎi)用了如下(xià)🧡的屏蔽工(gong)藝等技術(shù)方法:
(1)傳感(gǎn)器探頭體(ti)内的元件(jiàn)封裝采用(yong)無任何填(tian)充料的結(jie)構,并🌍且采(cǎi)用高溫加(jia)熱和抽真(zhen)空狀态下(xia)對傳感器(qì)進行氩弧(hu)焊接封裝(zhuāng)，該傳感器(qi)具有常溫(wen)下104MΩ以上絕(jue)緣阻抗和(hé)300℃高溫下100MΩ絕(jue)緣阻抗。
(2)傳(chuán)感器輸出(chu)導線采用(yòng)硬質純鎳(nie)質内芯的(de)金屬铠⛷️裝(zhuāng)線結構，傳(chuán)感器自身(shēn)的屏蔽效(xiao)果最好;
(3)傳(chuan)感器探頭(tou)内成安裝(zhuāng)的對壓電(dian)元件采用(yòng)差動信号(hao)✌️輸🤞出接線(xiàn)方式，并且(qiě)其中一極(jí)與傳感器(qi)的金屬外(wai)殼可靠✏️接(jiē)地;
(4)傳感器(qi)末端導線(xian)接線端與(yu)電荷放大(da)輸入電路(lù)連🚶‍♀️接部分(fen)也全部采(cǎi)用剛性金(jin)屬屏蔽單(dān)防護工藝(yì);
(5)信号處理(lǐ)電路中将(jiāng)初級電荷(he)放大電路(lù)和二二級(jí)放大濾波(bo)電路設計(jì)成獨立的(de)電路模塊(kuài)并且也封(fēng)閉安裝在(zài)♊一個金屬(shu)屏蔽罩内(nei)與其他電(dian)路特别是(shì)數字電路(lu)隔離開來(lai)，防❄️止了後(hou)級數字電(diàn)路及其他(tā)空間電磁(ci)場的幹擾(rao)。傳感器及(ji)其初級信(xin)号處理電(dian)♌路的結構(gòu)圖如圖3所(suo)示。

　　屏蔽可(ke)以用控制(zhì)電場或磁(cí)場從空間(jian)的一個或(huo)到另♊一個(gè)區或的傳(chuan)播，這是克(kè)服電場耦(ǒu)合幹擾、磁(cí)場耦合幹(gàn)擾❗以及電(dian)磁輻射幹(gan)擾的最有(you)效手段啊(a)。屏蔽的目(mù)的是利用(yong)導電材料(liao)或高導磁(ci)率材料來(lái)減小磁場(chang)、電場或電(diàn)磁場的強(qiang)度。屏蔽可(kě)以🔴應用于(yu)噪♉聲源，通(tong)過用屏蔽(bi)材料把💔幹(gan)擾源包圍(wei)起來以減(jiǎn)弱幹擾磁(ci)場的強度(du)，屏蔽也可(ke)以應用于(yu)需要抑制(zhi)噪聲的敏(mǐn)感元件和(hé)檢測電路(lu),通過用屏(píng)蔽材料把(bǎ)敏感元件(jian)和電路包(bāo)圍起來以(yǐ)減弱電路(lù)附近的場(chang)強。屏蔽的(de)範圍可以(yǐ)是電纜、個(gè)别器件、部(bù)分電路或(huo)整🧑🏾‍🤝‍🧑🏼個電路(lù)系統。總之(zhī)屏蔽對于(yú)削弱或切(qiē)斷電場、磁(ci)場💯與電磁(ci)輻射三種(zhǒng)幹擾耦合(hé)方式都是(shì)行之有效(xiao)的⭐。
3樣機測(cè)試
　　根據.上(shàng)述研究和(he)技改方案(an)，制作了DN150、DN200和(hé)DN250三種大口(kou)徑各10台樣(yang)機，三種樣(yang)機在50Hz、1.5g機械(xie)振動條件(jiàn)下測試,輸(shū)出信号頻(pín)率爲零,樣(yàng)機在标準(zhǔn)表法氣體(ti)流量标準(zhun)裝置上用(yong)常溫常壓(yā)下空💜氣流(liú)量标定，量(liàng)程比達到(dào)20:1以上，1.0級精(jīng)度🌈合格。其(qí)中🌍DN150口徑一(yī)台樣機的(de)測試數據(jù)如下表2,最(zui)小流🥰速測(cè)到了2m/s,量程(cheng)比擴展到(dao)🔞30:1。

4結束語.
　　機(ji)械振動幹(gan)擾和電磁(ci)幹擾時對(duì)渦街流量(liang)計性能影(yǐng)響❗的主要(yào)因素，直接(jie)限制了量(liang)程下限，影(yǐng)響了渦街(jiē)流量計在(zài)低流速、小(xiǎo)流量時的(de)計量性能(neng)。通過從渦(wo)街信号産(chan)生的源頭(tou)🌍做起，研制(zhì)了一種抗(kàng)幹擾性能(néng)好的通用(yòng)型渦街流(liú)量傳感器(qì)，以及對⭐禍(huo)街信号第(dì)一級傳輸(shu)導線和前(qian)置㊙️放大處(chù)理電路等(deng)的可靠屏(ping)蔽保護改(gǎi)🐪進措施的(de)兩項研究(jiu)和實現，研(yan)制👨‍❤️‍👨的DN150口徑(jing)樣機在🤟氣(qi)體流量标(biao)準裝置上(shang)常溫常壓(ya)空氣标定(dìng)☀️量程範圍(wéi)超過20:1,可測(cè)最大流量(liang)達到4100m3/h(60m/s),最小(xiao)流速已測(ce)到2m/s,實現了(le)寬量程性(xing)能;

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