摘要:針對渦街流量計抗干擾性能差.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,從渦街信號的源頭加以改進，提高了渦街信號的信噪比和靈敏度;并對渦街流量傳感器輸出信號的過程導線及初級信號處理電路的信號屏蔽和保護措施加以改進;研制的樣機經(jīng)氣體流量標準裝置等設備測試驗證,不僅能抵抗1.5g以下的機械振動干擾,而且實現(xiàn)了大于20:1的寬量程比性能。
0引言
渦街流量計是20世紀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，吸引了國內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關注，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，因此對它的研究還在不斷地進行，研究者從許多方面對其進行了深人的研究: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)字信號處理方法的研究;，④渦街信號檢測方法的研究121);⑤數(shù)值仿真方法的研究。
上述研究方向多是的發(fā)生體結構、傳感器安裝位置或是在渦街電信號的處理后期階段的方法研究，而對渦街電信號產(chǎn)生的源頭即渦街流量傳感器本身及其輸出原始信號的保護方面研究很少;渦街流量傳感器是渦街流量計的最核心部件，它的性能好壞直接決定了渦街流量計的性能，而在此處的研究和方法是有效提升抗干擾性能擴展量程的關鍵點。
將工作重點就放在這個關鍵點上,即在壓電傳感產(chǎn)生信號的源頭在抗振動和屏蔽方面加以改進，一種抗干擾性能好、輸出壓電信號信噪比強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及其初級信號處理電路的信號屏蔽保護措施。
1渦街流量計工作原理
如圖1所示，管道中垂直插人一個三角形柱狀的旋渦發(fā)生體，隨著流體流動，當管道雷諾數(shù)達到一定值時，在旋渦發(fā)生體兩側會交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街。
設旋渦發(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三角柱和渦街傳感器探頭周期性的作用力。根據(jù)熱力學第一第二定律和庫塔儒科夫斯基升力定理01,設作用在旋渦發(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的抗振動性能和擴展量程比，關鍵看壓電式渦街傳感器的探頭對F升力檢測的能力。是在改進壓電式渦街流量傳感器及其相關技術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提高抗振動性能的研究和實現(xiàn)
由于流量計與管道法蘭式剛性連接，且流量計上壓電式渦街流量傳感器探頭也是與表體剛性連接，管道的振動會直接傳導到壓電傳感器探頭上，產(chǎn)生和流量信號相同機理的振動干擾信號;另外，振動也會導致壓電傳感器的導線、導線端子與電路連接觸電等部位的振動，有可能通過某種機電傳感機理，轉換為電噪聲。所以研究渦街傳感器自身的結構,提升自身抗振動性能是提高渦街流量計抗振動干擾性能的有效方法。若等到振動干擾信號都疊加在流量型號上了，再去想盡各種辦法去剔除干擾信號，即不經(jīng)濟，也不理想。
為此，采用了壓電傳感器與旋渦發(fā)生體(三角柱)分離型的結構方案，即研制了種小尺寸懸臂梁凹結構的壓電式通用渦街流量傳感器(簡稱壓電傳感器),壓電傳感器結構如圖2所示，由安裝法蘭盤、探頭扁尾、壓電元件、鎧裝導線、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)生體兩側的側孔獲取旋渦升力作用。并傳感出相應的渦街流量信號。在懸臂梁內(nèi)部，壓電元件機械封裝在探頭內(nèi)空腔中，空余空腔則無其它填充物。壓電元件通過剛性結構的鎧裝導線將信號輸出到外部的接線端子上，再通過接線端子將信號輸出到外部信號處理電路進行處理。當管道流體因漩渦發(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)生出與交變升力對應的電荷,通過后續(xù)的一系列信號處理電路，最終獲得流量信息。
提高抗振動性能的設計方案及其分析:
(1)傳感器懸臂梁的探頭部分按現(xiàn)有工藝和技術設計為較小的外徑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構，這樣的結構保證了該探頭懸臂梁的質量最小，設其等效重心為G點,質量為mc質點至支撐點距離為L2管道振動加速度為a,振動加速度垂直于探頭軸線方向的分量為α2,則管道振動干擾對懸臂梁的彎矩Mc公式為:
Mg=mGa2L2(3)
由公式(3)可知，由于懸臂梁質量的客觀存在,所以振動產(chǎn)生的干擾彎矩必然存在，但可以減小懸臂梁質量和等效重心的力臂L2長度，在振動干擾強度不變的情況下，mc越輕,作用力臂L2越小,振動干擾產(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)生體兩側的導壓孔傳導出旋渦升力作用于探頭扁尾，其他部位不受力;如圖2所示，設旋渦升力的作用力臂為L，旋渦升力作用點為B,作用力為Fe1,此時傳感器僅B點受旋渦升力作用，升力產(chǎn)生的彎矩Mfea公式為:
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知，此時的力臂L1最大，彎矩Mfel也最大，此時壓電傳感器輸出的信號也最強。
(3)傳感器內(nèi)部信號導線采用剛性結構的鎧裝導線，該結構可保證在機械振動傳感器導線不彎曲和不抖動，導線部分所等效的傳感器電容值也會固定不變，減少了因振動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旋渦升力性能強，受管道振動影響弱。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現(xiàn)
壓電式渦街流量傳感器在工作時輸出的電荷信號很弱，電壓峰峰為毫伏級，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衰減和電磁干擾進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處理電路采用了如下的屏蔽工藝等技術方法:
(1)傳感器探頭體內(nèi)的元件封裝采用無任何填充料的結構,并且采用高溫加熱和抽真空狀態(tài)下對傳感器進行氬弧焊接封裝，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)傳感器輸出導線采用硬質純鎳質內(nèi)芯的金屬鎧裝線結構，傳感器自身的屏蔽效果最好;
(3)傳感器探頭內(nèi)成安裝的對壓電元件采用差動信號輸出接線方式，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工藝;
(5)信號處理電路中將初級電荷放大電路和二二級放大濾波電路設計成獨立的電路模塊并且也封閉安裝在一個金屬屏蔽罩內(nèi)與其他電路特別是數(shù)字電路隔離開來，防止了后級數(shù)字電路及其他空間電磁場的干擾。傳感器及其初級信號處理電路的結構圖如圖3所示。
屏蔽可以用控制電場或磁場從空間的一個或到另一個區(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電材料或高導磁率材料來減小磁場、電場或電磁場的強度。屏蔽可以應用于噪聲源，通過用屏蔽材料把干擾源包圍起來以減弱干擾磁場的強度，屏蔽也可以應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。屏蔽的范圍可以是電纜、個別器件、部分電路或整個電路系統(tǒng)。總之屏蔽對于削弱或切斷電場、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臺樣機，三種樣機在50Hz、1.5g機械振動條件下測試,輸出信號頻率為零,樣機在標準表法氣體流量標準裝置上用常溫常壓下空氣流量標定，量程比達到20:1以上，1.0級精度合格。其中DN150口徑一臺樣機的測試數(shù)據(jù)如下表2,最小流速測到了2m/s,量程比擴展到30:1。
4結束語.
機械振動干擾和電磁干擾時對渦街流量計性能影響的主要因素，直接限制了量程下限，影響了渦街流量計在低流速、小流量時的計量性能。通過從渦街信號產(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，以及對禍街信號第一級傳輸導線和前置放大處理電路等的可靠屏蔽保護改進措施的兩項研究和實現(xiàn)，研制的DN150口徑樣機在氣體流量標準裝置上常溫常壓空氣標定量程范圍超過20:1,可測最大流量達到4100m3/h(60m/s),最小流速已測到2m/s,實現(xiàn)了寬量程性能;
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