摘要：針對(dui)渦街流量計 抗(kang)幹擾性能差的(de)缺點,設計了一(yī)種新的傳感器(qì)結構一一懸浮(fú)式差動傳感器(qi),使流量計一次(cì)儀表輸😘出信号(hào)的信噪比大大(dà)提高.實驗結果(guǒ)表明,采用此種(zhǒng)傳感器結構的(de)渦街流量計💁的(de)抗千擾性能得(dé)到顯著改善.
　　渦(wō)街流量計是利(li)用旋渦脫離誘(you)發流體振動的(de)原💋理實現流💛量(liang)的計量,其主要(yao)特點是:無運動(dong)部件，因此不🈲必(bi)考慮流體中雜(zá)質對流量計的(de)物理損害,從而(ér)極大地拓展了(le)精密流量計的(de)應用🌂範圍,并有(you)良好的線性度(du)、較大的量程和(hé)很強的介質适(shi)應性,可用于不(bú)同流體的穩态(tai)和瞬态流量的(de)計量.此外，它🚶還(hai)有具有壓力損(sun)失小、可靠性高(gāo)、維護方便和不(bú)受流體組成🔞、密(mì)度、溫度、壓力影(yǐng)響等優👈點,是測(cè)量氣體、液體、蒸(zhēng)汽、混合型和腐(fu)蝕性流體.的理(li)想的流量計.
　　但(dàn)是,渦街流量計(ji)存在兩大缺陷(xian):(1)小流量信噪比(bi)低;(2)抗幹擾性能(neng)差.其中抗幹擾(rǎo)性能是衡量一(yi)台工業🈲渦街✏️流(liú)量計應用好壞(huài)的一個重要指(zhi)标.目前很多工(gong)業用戶之所以(yǐ)對渦街流量計(ji)的應用失去信(xìn)心，是因爲在實(shí)際應用❗中,工業(ye)振動是普遍存(cun)在的;而一般的(de)工業振動頻率(lǜ)大都在幾赫茲(zi)到幾千赫茲之(zhī)間,渦街流量計(jì)的旋渦分離頻(pín)率正好落在這(zhè)個範圍之内🚶..
　　近(jìn)10年來,針對以上(shàng)問題國内外學(xue)者做了大量的(de)研💃🏻究⛷️,并且大部(bu)分研究主要是(shì)從信号處理的(de)角度出發.如采(cǎi)用自适應譜分(fèn)析方法對渦街(jie)信号進行處🏃‍♀️理(li)以提🈲高渦街流(liu)量計的抗噪能(neng)力川,又如根據(jù)實驗數據對渦(wō)街流量💛産生的(de)信号建立數學(xue)模型将譜預測(cè)的方法運用到(dao)渦街流量計上(shàng),用以提高渦💔街(jiē)流量計的抗幹(gan)擾性能,使計🔴量(liàng)精度和可靠性(xìng)得到提高.除通(tong)過信号處理的(de)技術外，人們還(hái)從傳感器方面(miàn)尋找改善渦街(jie)流量計性能的(de)思路，如通過改(gǎi)進壓電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻傳感器(qi)達到減弱管道(dào)振動對渦街流(liú)量計影響的目(mu)的.
1懸浮式差動(dong)傳感器的設計(ji)
1.1流量傳感器幹(gan)擾噪聲分析
　　渦(wo)街流量計是根(gen)據卡門旋渦頻(pín)率實現流量測(ce)量的流量🥰計.在(zai)💃具有旋渦發生(shēng)體的流場中,當(dang)兩旋渦列之間(jiān)的距離h與同列(liè)的👅兩旋渦之間(jian)的距離L之比滿(man)足h/L=0.281時㊙️,形成卡門(mén)渦街如圖1所示(shi).大量實驗證明(ming):在🏃一-定的雷諾(nuo)數範圍内,穩定(dìng)的旋渦發生頻(pin)率ƒ與旋♻️渦發生(shēng)體側流速u與旋(xuan)渦發生體的柱(zhu)寬d有如下确定(ding)的關系:ƒ=(u/d)St.式中St爲(wei)斯特勞哈爾💛數(shu)(無綱量),對于❤️一(yī)定形狀的旋渦(wo)發生體,在一-定(dìng)的雷諾數範圍(wei)内是一個常數(shù).由于流體流量(liang)與其流速之間(jiān)存在線性關系(xi),所以通過測量(liang)旋渦✌️發生引起(qi)的流體振動頻(pin)率，即可實現對(dui)流體流量的測(cè)量.
 
　　由渦街流量(liang)計的工作原理(li)可見，渦街流量(liàng)計是利用流體(ti)自身振動實現(xiàn)流體的測量的(de).而待測系統中(zhong)存🍉在的❌壓力脈(mò)動或外界的振(zhen)動源和噪聲源(yuan)也會引起待測(ce)系統中流體的(de)振動,這些☔外來(lai)的振動信号，或(huo)改🍉變旋渦振動(dong)頻率，或直接進(jìn)人二次儀表📐,造(zào)成計量誤差.理(li)想情況下，渦街(jie)流量計輸出正(zheng)弦波信号,但實(shí)際上由于流體(ti)流動噪聲、機械(xiè)振動噪聲等千(qiān)擾的影響,它遠(yuǎn)非理想的正弦(xián)波信号，而是一(yī)個混有強噪聲(sheng)的混合信号。
1.2懸(xuan)浮式差動傳感(gan)器的結構
　　在渦(wo)街流量計中,懸(xuan)浮差動式流量(liang)傳感器的安裝(zhuāng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻如圖2所示,傳感(gǎn)器B安裝在旋渦(wo)發生體A的後面(mian).傳感器的軸線(xiàn)與旋渦發生體(tǐ)平行,整個傳感(gan)器都沉浸🏃🏻‍♂️在流(liu)體中[5].圖中的懸(xuan)浮式差動傳感(gǎn)器在設計中使(shǐ)用了4個壓✔️電晶(jīng)體作爲檢測元(yuan)件，在平闆兩側(cè)對稱固定了兩(liǎng)個㊙️檢測單元，以(yi)形成差動結構(gou).每個檢測單元(yuan)外形爲一個半(ban)圓柱型殼體，殼(ke)體内具有🏃‍♂️與平(píng)闆軸線平行的(de)通㊙️孔,通孔内有(you)兩個尺寸、質量(liang)和靈📞敏度系數(shù)都相同的🌈壓電(diàn)陶瓷片，兩壓電(dian)陶瓷片之🌈間由(you)一金屬質量塊(kuài)相連,該質量塊(kuai)與兩壓電⚽陶瓷(ci)✊片焊接在一起(qi)組成一個剛體(ti).金屬質量❤️塊同(tong)時也作爲壓電(diàn)陶🐪瓷的輸出電(diàn)🌐極,引出檢測信(xin)号給電荷放大(dà)電路.兩片壓電(diàn)晶體采用并聯(lian)式結構,如圖3所(suo)示,使輸出⛹🏻‍♀️電荷(hé)量加倍,以達到(dào)增大渦街流量(liang)信号的目的.
 
　　每(mei)個檢測單元的(de)_上”下兩個壓電(dian)陶瓷片在安裝(zhuang)時必須具有相(xiàng)等的受壓預緊(jin)力，以保證由兩(liǎng)個壓電陶瓷片(piàn)與金屬🥵質量塊(kuài)形成的剛體中(zhōng)會形成一個🍓内(nei)應力分界面.由(yóu)于金🐇屬質量塊(kuai)具有一定的厚(hou)度✏️，所以内應力(lì)分界面一定會(huì)在金屬質量塊(kuài)的内部,而兩個(ge)壓電陶瓷片又(yòu)是嚴格對稱匹(pǐ)配的，因此,可🛀以(yi)在結構上保🧑🏾‍🤝‍🧑🏼證(zheng)在受到相等的(de)力的作用時,這(zhe)兩個壓電陶瓷(ci)片能🌂夠産生相(xiang)等的電荷.
1.3懸浮(fu)式差動傳感器(qì)的抗幹擾工作(zuò)原理
1.3.1懸浮式結(jié)構對振動幹擾(rǎo)的抑制
　　懸浮式(shì)結構對于流場(chǎng)中的振動幹擾(rao)噪聲可以實♍現(xiàn)有效的抑🏃‍♂️制.管(guan)道在外界幹擾(rǎo)作用下産生的(de)振動總是可以(yǐ)分解爲如圖4所(suǒ)示的三個方向(xiàng)，即方向☁️a----與旋渦(wo)升力方向相同(tóng)👈、方向b----與🈲流體流(liú)動方向垂直、方(fāng)向c--與流體流動(dòng)方⛱️向平行.根據(ju)懸浮式差動傳(chuán)感器結構與安(an)裝方式，可知🔴方(fāng)向b與方向c上的(de)振動幹擾不會(hui)産生噪聲信号(hào),隻有方向a的振(zhèn)動幹擾可引起(qi)傳感器殼體的(de)跟随振動.此時(shi),由于傳感器中(zhong)金屬質量塊的(de)慣性作用，檢測(cè)單元中上下對(dui)稱的兩個壓電(diàn)陶瓷片會分别(bie)受到壓力和拉(la)力的作用,這使(shǐ)得兩個壓電陶(tao)瓷片分别産生(shēng)極性相反的正(zhèng)負電荷信号.由(you)㊙️于兩個壓電陶(tao)瓷片采用并聯(lian)結構,所🔅以當🌂上(shàng)下兩個壓電陶(táo)瓷片的信🌏号在(zai)金屬質量塊中(zhong)相加時,幹擾信(xìn)号所産生的電(dian)荷信号🏃‍♀️會相互(hu)抵消,傳感器起(qi)到了自減振的(de)作用,從而極大(da)地削🚶弱了此方(fāng)向的幹擾信号(hao).
 
1.3.2差動式結構對(dui)振動幹擾的抑(yi)制
　　如圖3所示，當(dang)旋渦流經傳感(gan)器時，旋渦産生(sheng)的交變壓力💜作(zuò)用🚩在兩個檢測(cè)單元的彈性膜(mó)片上,使兩側的(de)壓電陶瓷片交(jiao)替産生📞電荷.兩(liang)個檢測單元會(hui)輸出帶有噪聲(sheng)的正弦信号Si與(yu)S2,如圖5所示.由于(yu)兩個檢🔅測單元(yuán)的對稱性,使🌈得(de)St與S2信号中所含(hán)的渦街流量🥵信(xin)号的幅值與頻(pin)率相同、相位相(xiàng)差180°;又因爲管道(dào)振😄動、流場脈動(dong)等引起的幹擾(rao)振動對兩側的(de)壓💰電陶瓷片的(de)作用是一🎯緻的(de),所以S1與S2信号中(zhong)所含幹擾信号(hào)爲幅值、頻率與(yu)相✔️位都相同的(de)共模❗信号.在采(cai)用差動式電荷(he)放大前置放大(dà)電路中,輸出信(xin)号隻含有差模(mo)信号S1-S2,從而有效(xiao)地抑制了振動(dòng)幹擾.
 
2實驗結果(guǒ)
　　圖6與圖7分别爲(wèi)傳統渦街流量(liang)計與使用了懸(xuán)浮式差🎯動♋傳感(gǎn)器💜的渦街流量(liàng)計在管道受到(dào)外力敲擊🍉時的(de)渦街流量信号(hào)(該信号爲經差(chà)動放大後的信(xìn)号).由圖6可見,傳(chuán)統渦街流量計(jì)對振動非常敏(mǐn)感，渦街流量信(xin)号中疊加了很(hen)強的幹擾信号(hao).而在使用㊙️了懸(xuan)浮式差動傳感(gan)器的渦街流量(liang)計中,管道受到(dào)敲擊時的幹擾(rao)💜被大大削弱,在(zài)經差動放大後(hòu)幾乎沒有幹擾(rǎo)信号.
 
結論
　　爲了(le)使渦街流量計(ji)能夠測量低流(liu)速、小流量的信(xin)号,必需盡量🙇‍♀️提(ti)高有效流量信(xin)号的幅值,而降(jiang)低幹擾噪聲的(de)幅值,即提高信(xin)号的信噪比.我(wǒ)們的工作針對(duì)一次儀表展開(kai),提😘出了一種新(xīn)穎的傳感器結(jié)構懸浮式差動(dòng)傳感器.實驗證(zhèng)明,該傳感器可(kě)使渦街信号的(de)信噪比大大提(ti)高,從而使現有(yǒu)渦街流量㊙️計的(de)抗幹擾🌈性能得(dé)以極大的改善(shàn).它對于渦街流(liú)量計的理論研(yán)究及工程🌈應用(yòng)都具💜有重要的(de)意義.

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