摘要：針對(duì)渦街流量計(jì)抗干擾性能差的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新的傳感器結(jié)構(gòu)一一懸浮式差動(dòng)傳感器,使流量計(jì)一次儀表輸出信號(hào)的信噪比大大提高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用此種傳感器結(jié)構(gòu)的渦街流量計(jì)的抗千擾性能得到顯著改善.
渦街流量計(jì)是利用旋渦脫離誘發(fā)流體振動(dòng)的原理實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量,其主要特點(diǎn)是:無運(yùn)動(dòng)部件，因此不必考慮流體中雜質(zhì)對(duì)流量計(jì)的物理?yè)p害,從而極大地拓展了精密流量計(jì)的應(yīng)用范圍,并有良好的線性度、較大的量程和很強(qiáng)的介質(zhì)適應(yīng)性,可用于不同流體的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流量的計(jì)量.此外，它還有具有壓力損失小、可靠性高、維護(hù)方便和不受流體組成、密度、溫度、壓力影響等優(yōu)點(diǎn),是測(cè)量氣體、液體、蒸汽、混合型和腐蝕性流體.的理想的流量計(jì).
但是,渦街流量計(jì)存在兩大缺陷:(1)小流量信噪比低;(2)抗干擾性能差.其中抗干擾性能是衡量一臺(tái)工業(yè)渦街流量計(jì)應(yīng)用好壞的一個(gè)重要指標(biāo).目前很多工業(yè)用戶之所以對(duì)渦街流量計(jì)的應(yīng)用失去信心，是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中,工業(yè)振動(dòng)是普遍存在的;而一般的工業(yè)振動(dòng)頻率大都在幾赫茲到幾千赫茲之間,渦街流量計(jì)的旋渦分離頻率正好落在這個(gè)范圍之內(nèi)..
近10年來,針對(duì)以上問題國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,并且大部分研究主要是從信號(hào)處理的角度出發(fā).如采用自適應(yīng)譜分析方法對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行處理以提高渦街流量計(jì)的抗噪能力川,又如根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)渦街流量產(chǎn)生的信號(hào)建立數(shù)學(xué)模型將譜預(yù)測(cè)的方法運(yùn)用到渦街流量計(jì)上,用以提高渦街流量計(jì)的抗干擾性能,使計(jì)量精度和可靠性得到提高.除通過信號(hào)處理的技術(shù)外，人們還從傳感器方面尋找改善渦街流量計(jì)性能的思路，如通過改進(jìn)壓電傳感器達(dá)到減弱管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)影響的目的.
1懸浮式差動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)
1.1流量傳感器干擾噪聲分析
渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門旋渦頻率實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的流量計(jì).在具有旋渦發(fā)生體的流場(chǎng)中,當(dāng)兩旋渦列之間的距離h與同列的兩旋渦之間的距離L之比滿足h/L=0.281時(shí),形成卡門渦街如圖1所示.大量實(shí)驗(yàn)證明:在一-定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),穩(wěn)定的旋渦發(fā)生頻率ƒ與旋渦發(fā)生體側(cè)流速u與旋渦發(fā)生體的柱寬d有如下確定的關(guān)系:ƒ=(u/d)St.式中St為斯特勞哈爾數(shù)(無綱量),對(duì)于一定形狀的旋渦發(fā)生體,在一-定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)是一個(gè)常數(shù).由于流體流量與其流速之間存在線性關(guān)系,所以通過測(cè)量旋渦發(fā)生引起的流體振動(dòng)頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的測(cè)量.
由渦街流量計(jì)的工作原理可見，渦街流量計(jì)是利用流體自身振動(dòng)實(shí)現(xiàn)流體的測(cè)量的.而待測(cè)系統(tǒng)中存在的壓力脈動(dòng)或外界的振動(dòng)源和噪聲源也會(huì)引起待測(cè)系統(tǒng)中流體的振動(dòng),這些外來的振動(dòng)信號(hào)，或改變旋渦振動(dòng)頻率，或直接進(jìn)人二次儀表,造成計(jì)量誤差.理想情況下，渦街流量計(jì)輸出正弦波信號(hào),但實(shí)際上由于流體流動(dòng)噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲等千擾的影響,它遠(yuǎn)非理想的正弦波信號(hào)，而是一個(gè)混有強(qiáng)噪聲的混合信號(hào)。
1.2懸浮式差動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)
在渦街流量計(jì)中,懸浮差動(dòng)式流量傳感器的安裝如圖2所示,傳感器B安裝在旋渦發(fā)生體A的后面.傳感器的軸線與旋渦發(fā)生體平行,整個(gè)傳感器都沉浸在流體中[5].圖中的懸浮式差動(dòng)傳感器在設(shè)計(jì)中使用了4個(gè)壓電晶體作為檢測(cè)元件，在平板兩側(cè)對(duì)稱固定了兩個(gè)檢測(cè)單元，以形成差動(dòng)結(jié)構(gòu).每個(gè)檢測(cè)單元外形為一個(gè)半圓柱型殼體，殼體內(nèi)具有與平板軸線平行的通孔,通孔內(nèi)有兩個(gè)尺寸、質(zhì)量和靈敏度系數(shù)都相同的壓電陶瓷片，兩壓電陶瓷片之間由一金屬質(zhì)量塊相連,該質(zhì)量塊與兩壓電陶瓷片焊接在一起組成一個(gè)剛體.金屬質(zhì)量塊同時(shí)也作為壓電陶瓷的輸出電極,引出檢測(cè)信號(hào)給電荷放大電路.兩片壓電晶體采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu),如圖3所示,使輸出電荷量加倍,以達(dá)到增大渦街流量信號(hào)的目的.
每個(gè)檢測(cè)單元的_上”下兩個(gè)壓電陶瓷片在安裝時(shí)必須具有相等的受壓預(yù)緊力，以保證由兩個(gè)壓電陶瓷片與金屬質(zhì)量塊形成的剛體中會(huì)形成一個(gè)內(nèi)應(yīng)力分界面.由于金屬質(zhì)量塊具有一定的厚度，所以內(nèi)應(yīng)力分界面一定會(huì)在金屬質(zhì)量塊的內(nèi)部,而兩個(gè)壓電陶瓷片又是嚴(yán)格對(duì)稱匹配的，因此,可以在結(jié)構(gòu)上保證在受到相等的力的作用時(shí),這兩個(gè)壓電陶瓷片能夠產(chǎn)生相等的電荷.
1.3懸浮式差動(dòng)傳感器的抗干擾工作原理
1.3.1懸浮式結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)干擾的抑制
懸浮式結(jié)構(gòu)對(duì)于流場(chǎng)中的振動(dòng)干擾噪聲可以實(shí)現(xiàn)有效的抑制.管道在外界干擾作用下產(chǎn)生的振動(dòng)總是可以分解為如圖4所示的三個(gè)方向，即方向a----與旋渦升力方向相同、方向b----與流體流動(dòng)方向垂直、方向c--與流體流動(dòng)方向平行.根據(jù)懸浮式差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方式，可知方向b與方向c上的振動(dòng)干擾不會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào),只有方向a的振動(dòng)干擾可引起傳感器殼體的跟隨振動(dòng).此時(shí),由于傳感器中金屬質(zhì)量塊的慣性作用，檢測(cè)單元中上下對(duì)稱的兩個(gè)壓電陶瓷片會(huì)分別受到壓力和拉力的作用,這使得兩個(gè)壓電陶瓷片分別產(chǎn)生極性相反的正負(fù)電荷信號(hào).由于兩個(gè)壓電陶瓷片采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),所以當(dāng)上下兩個(gè)壓電陶瓷片的信號(hào)在金屬質(zhì)量塊中相加時(shí),干擾信號(hào)所產(chǎn)生的電荷信號(hào)會(huì)相互抵消,傳感器起到了自減振的作用,從而極大地削弱了此方向的干擾信號(hào).
1.3.2差動(dòng)式結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)干擾的抑制
如圖3所示，當(dāng)旋渦流經(jīng)傳感器時(shí)，旋渦產(chǎn)生的交變壓力作用在兩個(gè)檢測(cè)單元的彈性膜片上,使兩側(cè)的壓電陶瓷片交替產(chǎn)生電荷.兩個(gè)檢測(cè)單元會(huì)輸出帶有噪聲的正弦信號(hào)Si與S2,如圖5所示.由于兩個(gè)檢測(cè)單元的對(duì)稱性,使得St與S2信號(hào)中所含的渦街流量信號(hào)的幅值與頻率相同、相位相差180°;又因?yàn)楣艿勒駝?dòng)、流場(chǎng)脈動(dòng)等引起的干擾振動(dòng)對(duì)兩側(cè)的壓電陶瓷片的作用是一致的,所以S1與S2信號(hào)中所含干擾信號(hào)為幅值、頻率與相位都相同的共模信號(hào).在采用差動(dòng)式電荷放大前置放大電路中,輸出信號(hào)只含有差模信號(hào)S1-S2,從而有效地抑制了振動(dòng)干擾.
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6與圖7分別為傳統(tǒng)渦街流量計(jì)與使用了懸浮式差動(dòng)傳感器的渦街流量計(jì)在管道受到外力敲擊時(shí)的渦街流量信號(hào)(該信號(hào)為經(jīng)差動(dòng)放大后的信號(hào)).由圖6可見,傳統(tǒng)渦街流量計(jì)對(duì)振動(dòng)非常敏感，渦街流量信號(hào)中疊加了很強(qiáng)的干擾信號(hào).而在使用了懸浮式差動(dòng)傳感器的渦街流量計(jì)中,管道受到敲擊時(shí)的干擾被大大削弱,在經(jīng)差動(dòng)放大后幾乎沒有干擾信號(hào).
結(jié)論
為了使渦街流量計(jì)能夠測(cè)量低流速、小流量的信號(hào),必需盡量提高有效流量信號(hào)的幅值,而降低干擾噪聲的幅值,即提高信號(hào)的信噪比.我們的工作針對(duì)一次儀表展開,提出了一種新穎的傳感器結(jié)構(gòu)懸浮式差動(dòng)傳感器.實(shí)驗(yàn)證明,該傳感器可使渦街信號(hào)的信噪比大大提高,從而使現(xiàn)有渦街流量計(jì)的抗干擾性能得以極大的改善.它對(duì)于渦街流量計(jì)的理論研究及工程應(yīng)用都具有重要的意義.
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