摘要:針對(duì)渦街流量計(jì)抗干擾性能差.量程窄的問題，研制了一種抗干擾性能優(yōu)的通用渦街流量傳感器,從渦街信號(hào)的源頭加以改進(jìn)，提高了渦街信號(hào)的信噪比和靈敏度;并對(duì)渦街流量傳感器輸出信號(hào)的過程導(dǎo)線及初級(jí)信號(hào)處理電路的信號(hào)屏蔽和保護(hù)措施加以改進(jìn);研制的樣機(jī)經(jīng)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等設(shè)備測試驗(yàn)證,不僅能抵抗1.5g以下的機(jī)械振動(dòng)干擾,而且實(shí)現(xiàn)了大于20:1的寬量程比性能。
0引言
渦街流量計(jì)是20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來的一種新型的流量儀表，因其有許多優(yōu)點(diǎn)，吸引了國內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注，目前已發(fā)展成為主流流量儀表之一，但因起步晚、經(jīng)驗(yàn)不足，目前存在的主要問題是量程不寬(10:1左右)、抗干擾性能差等不足，因此對(duì)它的研究還在不斷地進(jìn)行，研究者從許多方面對(duì)其進(jìn)行了深人的研究:①旋渦發(fā)生體的研究葉;②壓電傳感器探頭位置的研究一氣;③數(shù)字信號(hào)處理方法的研究;，④渦街信號(hào)檢測方法的研究121);⑤數(shù)值仿真方法的研究。
上述研究方向多是的發(fā)生體結(jié)構(gòu)、傳感器安裝位置或是在渦街電信號(hào)的處理后期階段的方法研究，而對(duì)渦街電信號(hào)產(chǎn)生的源頭即渦街流量傳感器本身及其輸出原始信號(hào)的保護(hù)方面研究很少;渦街流量傳感器是渦街流量計(jì)的最核心部件，它的性能好壞直接決定了渦街流量計(jì)的性能，而在此處的研究和方法是有效提升抗干擾性能擴(kuò)展量程的關(guān)鍵點(diǎn)。
將工作重點(diǎn)就放在這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上,即在壓電傳感產(chǎn)生信號(hào)的源頭在抗振動(dòng)和屏蔽方面加以改進(jìn)，一種抗干擾性能好、輸出壓電信號(hào)信噪比強(qiáng)的壓電式通用渦街流量傳感器叫(簡稱壓電傳感器),如何提高傳感器原始信號(hào)及其初級(jí)信號(hào)處理電路的信號(hào)屏蔽保護(hù)措施。
1渦街流量計(jì)工作原理
如圖1所示，管道中垂直插人一個(gè)三角形柱狀的旋渦發(fā)生體，隨著流體流動(dòng)，當(dāng)管道雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街。
設(shè)旋渦發(fā)生頻率為f，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為d,表體通徑為D,根據(jù)卡門渦街工作原理，可知:
f=SrU/d(1)
式中:f為旋渦頻率;Sr為斯特勞哈爾數(shù);U為旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速;d為旋渦發(fā)生體迎流面寬度。
流體產(chǎn)生的這一漩渦周期性的脫落引起對(duì)三角柱和渦街傳感器探頭周期性的作用力。根據(jù)熱力學(xué)第一第二定律和庫塔儒科夫斯基升力定理01,設(shè)作用在旋渦發(fā)生體上的升力為FL有:
式中:CL為升力系數(shù);p為流體密度;U為流體流速;A為特征面積，即升力作用面積。由于交替地作用在發(fā)生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率，通過壓電傳感器的探頭扁尾對(duì)FL升力及其變化頻率的傳感和檢測，即可得到f，再由式
(1)可得流體的流速和體積流量。
從式(1)、(2)可以看出如何提高渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)性能和擴(kuò)展量程比，關(guān)鍵看壓電式渦街傳感器的探頭對(duì)F升力檢測的能力。是在改進(jìn)壓電式渦街流量傳感器及其相關(guān)技術(shù)來提高傳感器的測量小流量的信噪比和靈敏度。
2拓展量程的研究方案和技改
2.1提高抗振動(dòng)性能的研究和實(shí)現(xiàn)
由于流量計(jì)與管道法蘭式剛性連接，且流量計(jì)上壓電式渦街流量傳感器探頭也是與表體剛性連接，管道的振動(dòng)會(huì)直接傳導(dǎo)到壓電傳感器探頭上，產(chǎn)生和流量信號(hào)相同機(jī)理的振動(dòng)干擾信號(hào);另外，振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致壓電傳感器的導(dǎo)線、導(dǎo)線端子與電路連接觸電等部位的振動(dòng)，有可能通過某種機(jī)電傳感機(jī)理，轉(zhuǎn)換為電噪聲。所以研究渦街傳感器自身的結(jié)構(gòu),提升自身抗振動(dòng)性能是提高渦街流量計(jì)抗振動(dòng)干擾性能的有效方法。若等到振動(dòng)干擾信號(hào)都疊加在流量型號(hào)上了，再去想盡各種辦法去剔除干擾信號(hào)，即不經(jīng)濟(jì)，也不理想。
為此，采用了壓電傳感器與旋渦發(fā)生體(三角柱)分離型的結(jié)構(gòu)方案，即研制了種小尺寸懸臂梁凹結(jié)構(gòu)的壓電式通用渦街流量傳感器(簡稱壓電傳感器),壓電傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由安裝法蘭盤、探頭扁尾、壓電元件、鎧裝導(dǎo)線、密封罩、接線端子等組成。壓電傳感器通過中部的安裝法蘭盤與流量計(jì)殼體固定，下部的懸臂梁置于旋渦發(fā)生體內(nèi)的孔洞中，壓電傳感器的探頭扁尾通過發(fā)生體兩側(cè)的側(cè)孔獲取旋渦升力作用。并傳感出相應(yīng)的渦街流量信號(hào)。在懸臂梁內(nèi)部，壓電元件機(jī)械封裝在探頭內(nèi)空腔中，空余空腔則無其它填充物。壓電元件通過剛性結(jié)構(gòu)的鎧裝導(dǎo)線將信號(hào)輸出到外部的接線端子上，再通過接線端子將信號(hào)輸出到外部信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。當(dāng)管道流體因漩渦發(fā)生體產(chǎn)生渦街后，伴隨產(chǎn)生的交變升力F,作用在懸臂梁下部的探頭扁尾上，懸臂梁產(chǎn)生變形并迫使內(nèi)部的壓電元件也同步變形，從而產(chǎn)生出與交變升力對(duì)應(yīng)的電荷,通過后續(xù)的一系列信號(hào)處理電路，最終獲得流量信息。
提高抗振動(dòng)性能的設(shè)計(jì)方案及其分析:
(1)傳感器懸臂梁的探頭部分按現(xiàn)有工藝和技術(shù)設(shè)計(jì)為較小的外徑d和盡量短的長度L,并且探頭內(nèi)空腔采用抽真空無填充物封裝結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)保證了該探頭懸臂梁的質(zhì)量最小，設(shè)其等效重心為G點(diǎn),質(zhì)量為mc質(zhì)點(diǎn)至支撐點(diǎn)距離為L2管道振動(dòng)加速度為a,振動(dòng)加速度垂直于探頭軸線方向的分量為α2,則管道振動(dòng)干擾對(duì)懸臂梁的彎矩Mc公式為:
Mg=mGa2L2(3)
由公式(3)可知，由于懸臂梁質(zhì)量的客觀存在,所以振動(dòng)產(chǎn)生的干擾彎矩必然存在，但可以減小懸臂梁質(zhì)量和等效重心的力臂L2長度，在振動(dòng)干擾強(qiáng)度不變的情況下，mc越輕,作用力臂L2越小,振動(dòng)干擾產(chǎn)生的彎矩Mc就越小。
(2)如圖1所示，傳感器探頭插人在發(fā)生體內(nèi)的孔洞中，僅通過發(fā)生體兩側(cè)的導(dǎo)壓孔傳導(dǎo)出旋渦升力作用于探頭扁尾，其他部位不受力;如圖2所示，設(shè)旋渦升力的作用力臂為L，旋渦升力作用點(diǎn)為B,作用力為Fe1,此時(shí)傳感器僅B點(diǎn)受旋渦升力作用，升力產(chǎn)生的彎矩Mfea公式為:
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知，此時(shí)的力臂L1最大，彎矩Mfel也最大，此時(shí)壓電傳感器輸出的信號(hào)也最強(qiáng)。
(3)傳感器內(nèi)部信號(hào)導(dǎo)線采用剛性結(jié)構(gòu)的鎧裝導(dǎo)線，該結(jié)構(gòu)可保證在機(jī)械振動(dòng)傳感器導(dǎo)線不彎曲和不抖動(dòng)，導(dǎo)線部分所等效的傳感器電容值也會(huì)固定不變，減少了因振動(dòng)源引起的電噪聲的產(chǎn)生。
以上分析說明，該壓電式渦街流量傳感器感應(yīng)旋渦升力性能強(qiáng)，受管道振動(dòng)影響弱。從根本上提高了測量小流量的靈敏度。
2.2提升抗電磁干擾性能的研究和實(shí)現(xiàn)
壓電式渦街流量傳感器在工作時(shí)輸出的電荷信號(hào)很弱，電壓峰峰為毫伏級(jí)，并且工作在非諧振狀態(tài)，極易受空間中的電磁干擾后衰減，所以傳感器的制作既要保證它很高的輸人阻抗，同時(shí)還需有良好的屏蔽和接地要求，以防止漏電流引起的電荷信號(hào)衰減和電磁干擾進(jìn)人電荷放大器的輸人端。為此，研制的這種通用渦街流量傳感器及其信號(hào)處理電路采用了如下的屏蔽工藝等技術(shù)方法:
(1)傳感器探頭體內(nèi)的元件封裝采用無任何填充料的結(jié)構(gòu),并且采用高溫加熱和抽真空狀態(tài)下對(duì)傳感器進(jìn)行氬弧焊接封裝，該傳感器具有常溫下104MΩ以上絕緣阻抗和300℃高溫下100MΩ絕緣阻抗。
(2)傳感器輸出導(dǎo)線采用硬質(zhì)純鎳質(zhì)內(nèi)芯的金屬鎧裝線結(jié)構(gòu)，傳感器自身的屏蔽效果最好;
(3)傳感器探頭內(nèi)成安裝的對(duì)壓電元件采用差動(dòng)信號(hào)輸出接線方式，并且其中一極與傳感器的金屬外殼可靠接地;
(4)傳感器末端導(dǎo)線接線端與電荷放大輸入電路連接部分也全部采用剛性金屬屏蔽單防護(hù)工藝;
(5)信號(hào)處理電路中將初級(jí)電荷放大電路和二二級(jí)放大濾波電路設(shè)計(jì)成獨(dú)立的電路模塊并且也封閉安裝在一個(gè)金屬屏蔽罩內(nèi)與其他電路特別是數(shù)字電路隔離開來，防止了后級(jí)數(shù)字電路及其他空間電磁場的干擾。傳感器及其初級(jí)信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
屏蔽可以用控制電場或磁場從空間的一個(gè)或到另一個(gè)區(qū)或的傳播，這是克服電場耦合干擾、磁場耦合干擾以及電磁輻射干擾的最有效手段啊。屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或高導(dǎo)磁率材料來減小磁場、電場或電磁場的強(qiáng)度。屏蔽可以應(yīng)用于噪聲源，通過用屏蔽材料把干擾源包圍起來以減弱干擾磁場的強(qiáng)度，屏蔽也可以應(yīng)用于需要抑制噪聲的敏感元件和檢測電路,通過用屏蔽材料把敏感元件和電路包圍起來以減弱電路附近的場強(qiáng)。屏蔽的范圍可以是電纜、個(gè)別器件、部分電路或整個(gè)電路系統(tǒng)。總之屏蔽對(duì)于削弱或切斷電場、磁場與電磁輻射三種干擾耦合方式都是行之有效的。
3樣機(jī)測試
根據(jù).上述研究和技改方案，制作了DN150、DN200和DN250三種大口徑各10臺(tái)樣機(jī)，三種樣機(jī)在50Hz、1.5g機(jī)械振動(dòng)條件下測試,輸出信號(hào)頻率為零,樣機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上用常溫常壓下空氣流量標(biāo)定，量程比達(dá)到20:1以上，1.0級(jí)精度合格。其中DN150口徑一臺(tái)樣機(jī)的測試數(shù)據(jù)如下表2,最小流速測到了2m/s,量程比擴(kuò)展到30:1。
4結(jié)束語.
機(jī)械振動(dòng)干擾和電磁干擾時(shí)對(duì)渦街流量計(jì)性能影響的主要因素，直接限制了量程下限，影響了渦街流量計(jì)在低流速、小流量時(shí)的計(jì)量性能。通過從渦街信號(hào)產(chǎn)生的源頭做起，研制了一種抗干擾性能好的通用型渦街流量傳感器，以及對(duì)禍街信號(hào)第一級(jí)傳輸導(dǎo)線和前置放大處理電路等的可靠屏蔽保護(hù)改進(jìn)措施的兩項(xiàng)研究和實(shí)現(xiàn)，研制的DN150口徑樣機(jī)在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上常溫常壓空氣標(biāo)定量程范圍超過20:1,可測最大流量達(dá)到4100m3/h(60m/s),最小流速已測到2m/s,實(shí)現(xiàn)了寬量程性能;
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