摘要：針對渦街流量計抗干擾性能差的缺點,設(shè)計了一種新的傳感器結(jié)構(gòu)一一懸浮式差動傳感器,使流量計一次儀表輸出信號的信噪比大大提高.實驗結(jié)果表明,采用此種傳感器結(jié)構(gòu)的渦街流量計的抗千擾性能得到顯著改善.
渦街流量計是利用旋渦脫離誘發(fā)流體振動的原理實現(xiàn)流量的計量,其主要特點是:無運動部件，因此不必考慮流體中雜質(zhì)對流量計的物理損害,從而極大地拓展了精密流量計的應用范圍,并有良好的線性度、較大的量程和很強的介質(zhì)適應性,可用于不同流體的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流量的計量.此外，它還有具有壓力損失小、可靠性高、維護方便和不受流體組成、密度、溫度、壓力影響等優(yōu)點,是測量氣體、液體、蒸汽、混合型和腐蝕性流體.的理想的流量計.
但是,渦街流量計存在兩大缺陷:(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工業(yè)渦街流量計應用好壞的一個重要指標.目前很多工業(yè)用戶之所以對渦街流量計的應用失去信心，是因為在實際應用中,工業(yè)振動是普遍存在的;而一般的工業(yè)振動頻率大都在幾赫茲到幾千赫茲之間,渦街流量計的旋渦分離頻率正好落在這個范圍之內(nèi)..
近10年來,針對以上問題國內(nèi)外學者做了大量的研究,并且大部分研究主要是從信號處理的角度出發(fā).如采用自適應譜分析方法對渦街信號進行處理以提高渦街流量計的抗噪能力川,又如根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對渦街流量產(chǎn)生的信號建立數(shù)學模型將譜預測的方法運用到渦街流量計上,用以提高渦街流量計的抗干擾性能,使計量精度和可靠性得到提高.除通過信號處理的技術(shù)外，人們還從傳感器方面尋找改善渦街流量計性能的思路，如通過改進壓電傳感器達到減弱管道振動對渦街流量計影響的目的.
1懸浮式差動傳感器的設(shè)計
1.1流量傳感器干擾噪聲分析
渦街流量計是根據(jù)卡門旋渦頻率實現(xiàn)流量測量的流量計.在具有旋渦發(fā)生體的流場中,當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,形成卡門渦街如圖1所示.大量實驗證明: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,所以通過測量旋渦發(fā)生引起的流體振動頻率，即可實現(xiàn)對流體流量的測量.
由渦街流量計的工作原理可見，渦街流量計是利用流體自身振動實現(xiàn)流體的測量的.而待測系統(tǒng)中存在的壓力脈動或外界的振動源和噪聲源也會引起待測系統(tǒng)中流體的振動,這些外來的振動信號，或改變旋渦振動頻率，或直接進人二次儀表,造成計量誤差.理想情況下，渦街流量計輸出正弦波信號,但實際上由于流體流動噪聲、機械振動噪聲等千擾的影響,它遠非理想的正弦波信號，而是一個混有強噪聲的混合信號。
1.2懸浮式差動傳感器的結(jié)構(gòu)
在渦街流量計中,懸浮差動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,整個傳感器都沉浸在流體中[5].圖中的懸浮式差動傳感器在設(shè)計中使用了4個壓電晶體作為檢測元件，在平板兩側(cè)對稱固定了兩個檢測單元，以形成差動結(jié)構(gòu).每個檢測單元外形為一個半圓柱型殼體，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剛體.金屬質(zhì)量塊同時也作為壓電陶瓷的輸出電極,引出檢測信號給電荷放大電路.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,以達到增大渦街流量信號的目的.
每個檢測單元的_上”下兩個壓電陶瓷片在安裝時必須具有相等的受壓預緊力，以保證由兩個壓電陶瓷片與金屬質(zhì)量塊形成的剛體中會形成一個內(nèi)應力分界面.由于金屬質(zhì)量塊具有一定的厚度，所以內(nèi)應力分界面一定會在金屬質(zhì)量塊的內(nèi)部,而兩個壓電陶瓷片又是嚴格對稱匹配的，因此,可以在結(jié)構(gòu)上保證在受到相等的力的作用時,這兩個壓電陶瓷片能夠產(chǎn)生相等的電荷.
1.3懸浮式差動傳感器的抗干擾工作原理
1.3.1懸浮式結(jié)構(gòu)對振動干擾的抑制
懸浮式結(jié)構(gòu)對于流場中的振動干擾噪聲可以實現(xiàn)有效的抑制.管道在外界干擾作用下產(chǎn)生的振動總是可以分解為如圖4所示的三個方向，即方向a----與旋渦升力方向相同、方向b----與流體流動方向垂直、方向c--與流體流動方向平行.根據(jù)懸浮式差動傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方式，可知方向b與方向c上的振動干擾不會產(chǎn)生噪聲信號,只有方向a的振動干擾可引起傳感器殼體的跟隨振動.此時,由于傳感器中金屬質(zhì)量塊的慣性作用，檢測單元中上下對稱的兩個壓電陶瓷片會分別受到壓力和拉力的作用,這使得兩個壓電陶瓷片分別產(chǎn)生極性相反的正負電荷信號.由于兩個壓電陶瓷片采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),所以當上下兩個壓電陶瓷片的信號在金屬質(zhì)量塊中相加時,干擾信號所產(chǎn)生的電荷信號會相互抵消,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.
1.3.2差動式結(jié)構(gòu)對振動干擾的抑制
如圖3所示，當旋渦流經(jīng)傳感器時，旋渦產(chǎn)生的交變壓力作用在兩個檢測單元的彈性膜片上,使兩側(cè)的壓電陶瓷片交替產(chǎn)生電荷.兩個檢測單元會輸出帶有噪聲的正弦信號Si與S2,如圖5所示.由于兩個檢測單元的對稱性,使得St與S2信號中所含的渦街流量信號的幅值與頻率相同、相位相差180°;又因為管道振動、流場脈動等引起的干擾振動對兩側(cè)的壓電陶瓷片的作用是一致的,所以S1與S2信號中所含干擾信號為幅值、頻率與相位都相同的共模信號.在采用差動式電荷放大前置放大電路中,輸出信號只含有差模信號S1-S2,從而有效地抑制了振動干擾.
2實驗結(jié)果
圖6與圖7分別為傳統(tǒng)渦街流量計與使用了懸浮式差動傳感器的渦街流量計在管道受到外力敲擊時的渦街流量信號(該信號為經(jīng)差動放大后的信號).由圖6可見,傳統(tǒng)渦街流量計對振動非常敏感，渦街流量信號中疊加了很強的干擾信號.而在使用了懸浮式差動傳感器的渦街流量計中,管道受到敲擊時的干擾被大大削弱,在經(jīng)差動放大后幾乎沒有干擾信號.
結(jié)論
為了使渦街流量計能夠測量低流速、小流量的信號,必需盡量提高有效流量信號的幅值,而降低干擾噪聲的幅值,即提高信號的信噪比.我們的工作針對一次儀表展開,提出了一種新穎的傳感器結(jié)構(gòu)懸浮式差動傳感器.實驗證明,該傳感器可使渦街信號的信噪比大大提高,從而使現(xiàn)有渦街流量計的抗干擾性能得以極大的改善.它對于渦街流量計的理論研究及工程應用都具有重要的意義.
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