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(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)、導(dǎo)線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)、密封罩、接線(xiàn)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(xiàn)將信號(hào)輸出到外部的接線(xiàn)端子上，再通過(guò)接線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)采用剛性結(jié)構(gòu)的銷(xiāo)裝導(dǎo)線(xiàn)，該結(jié)構(gòu)可保證在機(jī)械振動(dòng)傳感器導(dǎo)線(xiàn)不彎曲和不抖動(dòng)，導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)采用硬質(zhì)純鎳質(zhì)內(nèi)芯的金屬鎧裝線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)接線(xiàn)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)。總之屏蔽對(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(xiàn)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(zhuān)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。