針對(duì)渦街流量計(jì)抗干擾性能差、量程窄的問(wèn)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)，提髙了渦街信號(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(guò)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)氣體流景標(biāo)準(zhǔn)裝置等設(shè)備測(cè)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(lái)的一種新型的流量?jī)x表，因其有許多優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)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?jī)x表之一，但因起步晚、經(jīng)驗(yàn)不足，目前存在的主要問(wèn)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㈣1;②壓電傳感器探頭位置的研究[?];③數(shù)字信號(hào)處理方法的研究④渦街信號(hào)檢測(cè)方法的研究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***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)。

本文將工作重點(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)，不僅研制了一種抗干擾性能好、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_ (簡(jiǎn)稱壓電傳感器），還研究了如何提髙傳感器原始信號(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(mén)渦街。

從式(1)、（2)可以看出如何提髙渦街流量計(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)升力檢測(cè)的能力。本文研究的是在改進(jìn)壓電式渦街流量傳感器及其相關(guān)技術(shù)來(lái)提髙傳感器的測(cè)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(guò)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別除干擾信號(hào)，即不經(jīng)濟(jì)，也不理想。

為此，本研究方案采用了壓電傳感器與旋禍發(fā)生體（三角柱）分離型的結(jié)構(gòu)方案，即研制了一種小尺寸懸臂梁1221結(jié)構(gòu)的壓電式通用渦街流量傳感器（簡(jiǎn)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(pán)、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(guò)中部的安裝法蘭盤(pán)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(guò)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(wú)其它填充物。壓電元件通過(guò)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(guò)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&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(guò)后續(xù)的一系列信號(hào)處理電路，***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(zhǎng)度L ,并且探頭內(nèi)空腔采用抽真空無(wú)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***小，設(shè)其等效重心為G點(diǎn)，質(zhì)量為質(zhì)點(diǎn)至支撐點(diǎn)距離為i2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,則管道振動(dòng)干擾對(duì)懸臂梁的彎矩Mo公式為：

M0 =mcfljZ,2                             （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、長(zhǎng)度，在振動(dòng)干擾強(qiáng)度不變的情況下，越輕，作用力臂、越小，振動(dòng)干擾產(chǎn)生的彎矩就越小。

(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(guò)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、，旋渦升力作用點(diǎn)為B ,作用力為，此時(shí)傳感器僅B點(diǎn)受旋渦升力作用，升力產(chǎn)生的彎矩對(duì)?公式為：Fci=    FC1L1                                                              （4）

由公式（4)可知，此時(shí)的力臂i,***大，彎矩Mftl也***大，此時(shí)壓電傳感器輸出的信號(hào)也***強(qiáng)。

(3)傳感器內(nèi)部信號(hào)導(dǎo)線采用剛性結(jié)構(gòu)的銷裝導(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(shuō)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。從根本上提髙了測(cè)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髙的輸人阻抗，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)入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(wú)任何填充料的結(jié)構(gòu)，并且采用髙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104Mn以上絕緣阻抗和30(?]高溫下100mx1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***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人電路連接部分也全部采用剛性金屬屏蔽罩防護(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(kāi)來(lái)，防止了后級(jí)數(shù)字電路及其他空間電磁場(chǎng)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(chǎng)或磁場(chǎng)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(chǎng)耦合干擾、磁場(chǎng)耦合干擾以及電磁輻射干擾的***有效手段屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或髙導(dǎo)磁率材料來(lái)減小磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。屏蔽可以應(yīng)用于噪聲源，通過(guò)用屏蔽材料把干擾源包圍起來(lái)以減弱干擾磁場(chǎng)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(cè)電路，通過(guò)用屏蔽材料把敏感元件和電路包圍起來(lái)以減弱電路附近的場(chǎng)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)?？傊帘螌?duì)于削弱或切斷電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電磁輻射三種干擾耦合方式都是行之有效的。本課題就是充分采用后一種屏蔽方案并有效實(shí)施。

3.樣機(jī)測(cè)試

根據(jù)上述研究和技改方案，制作了 D1N150DN200和DN250三種大口徑各10臺(tái)樣機(jī)，三種樣機(jī)在50Hz1.5g機(jī)械振動(dòng)條件下測(cè)試，輸出信號(hào)頻率為零，樣機(jī)在精大儀表股份有限公司的標(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(cè)試數(shù)據(jù)如下表2,***小流速測(cè)到了 量程比擴(kuò)展到30:1。

4.結(jié)束語(yǔ)

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(guò)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)渦街信號(hào)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(guò)20:1,可測(cè)***大流量達(dá)到4100mVh (60m/s)，***小流速已測(cè)到2m/S,實(shí)現(xiàn)了寬量程性能；其中，一種通用渦街流量傳感器技術(shù)巳獲專利授權(quán)，并由合肥精大儀表股份有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。