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涡街流量计宽量程性能研究与实现
发布时间:2020-7-13 08:26:54

摘要:针对涡街流量计抗干扰性能差.量程窄的问题,研制了一种抗干扰性能优的通用涡街流量传感器,从涡街信号的源头加以改进,提高了涡街信号的信噪比和灵敏度;并对涡街流量传感器输出信号的过程导线及初级信号处理电路的信号屏蔽和保护措施加以改进;研制的样机经气体流量标准装置等设备测试验证,不仅能抵抗1.5g以下的机械振动干扰,而且实现了大于20:1的宽量程比性能。
0引言
  涡街流量计是20世纪70年代才发展起来的一种新型的流量仪表,因其有许多优点,吸引了国内外众多研究者和企业的关注,目前已发展成为主流流量仪表之一,但因起步晚、经验不足,目前存在的主要问题是量程不宽(10:1左右)、抗干扰性能差等不足,因此对它的研究还在不断地进行,研究者从许多方面对其进行了深人的研究:①旋涡发生体的研究叶;②压电传感器探头位置的研究一气;③数字信号处理方法的研究;,④涡街信号检测方法的研究121);⑤数值仿真方法的研究。
  上述研究方向多是的发生体结构、传感器安装位置或是在涡街电信号的处理后期阶段的方法研究,而对涡街电信号产生的源头即涡街流量传感器本身及其输出原始信号的保护方面研究很少;涡街流量传感器是涡街流量计的最核心部件,它的性能好坏直接决定了涡街流量计的性能,而在此处的研究和方法是有效提升抗干扰性能扩展量程的关键点。
  本文将工作重点就放在这个关键点上,即在压电传感产生信号的源头在抗振动和屏蔽方面加以改进,不仅研制了一种抗干扰性能好、输出压电信号信噪比强的压电式通用涡街流量传感器叫(简称压电传感器),还研究了如何提高传感器原始信号及其初级信号处理电路的信号屏蔽保护措施。
1涡街流量计工作原理
  如图1所示,管道中垂直插人一个三角形柱状的旋涡发生体,随着流体流动,当管道雷诺数达到一定值时,在旋涡发生体两侧会交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街。
卡门涡街工资原理图
设旋涡发生频率为f,旋涡发生体迎流面宽度为d,表体通径为D,根据卡门涡街工作原理,可知:
f=SrU/d(1)
  式中:f为旋涡频率;Sr为斯特劳哈尔数;U为旋涡发生体两侧平均流速;d为旋涡发生体迎流面宽度。
  流体产生的这一漩涡周期性的脱落引起对三角柱和涡街传感器探头周期性的作用力。根据热力学第一第二定律和库塔儒科夫斯基升力定理01,设作用在旋涡发生体上的升力为FL有:

  式中:CL为升力系数;p为流体密度;U为流体流速;A为特征面积,即升力作用面积。由于交替地作用在发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率,通过压电传感器的探头扁尾对FL升力及其变化频率的传感和检测,即可得到f,再由式
(1)可得流体的流速和体积流量。
  从式(1)、(2)可以看出如何提高涡街流量计的抗振动性能和扩展量程比,关键看压电式涡街传感器的探头对F升力检测的能力。本文研究的是在改进压电式涡街流量传感器及其相关技术来提高传感器的测量小流量的信噪比和灵敏度。
2拓展量程的研究方案和技改
2.1提高抗振动性能的研究和实现
  由于流量计与管道法兰式刚性连接,且流量计上压电式涡街流量传感器探头也是与表体刚性连接,管道的振动会直接传导到压电传感器探头上,产生和流量信号相同机理的振动干扰信号;另外,振动也会导致压电传感器的导线、导线端子与电路连接触电等部位的振动,有可能通过某种机电传感机理,转换为电噪声。所以研究涡街传感器自身的结构,提升自身抗振动性能是提高涡街流量计抗振动干扰性能的有效方法。若等到振动干扰信号都叠加在流量型号上了,再去想尽各种办法去剔除干扰信号,即不经济,也不理想。
  为此,本研究方案采用了压电传感器与旋涡发生体(三角柱)分离型的结构方案,即研制了种小尺寸悬臂梁凹结构的压电式通用涡街流量传感器(简称压电传感器),压电传感器结构如图2所示,由安装法兰盘、探头扁尾、压电元件、铠装导线、密封罩、接线端子等组成。压电传感器通过中部的安装法兰盘与流量计壳体固定,下部的悬臂梁置于旋涡发生体内的孔洞中,压电传感器的探头扁尾通过发生体两侧的侧孔获取旋涡升力作用。并传感出相应的涡街流量信号。在悬臂梁内部,压电元件机械封装在探头内空腔中,空余空腔则无其它填充物。压电元件通过刚性结构的铠装导线将信号输出到外部的接线端子上,再通过接线端子将信号输出到外部信号处理电路进行处理。当管道流体因漩涡发生体产生涡街后,伴随产生的交变升力F,作用在悬臂梁下部的探头扁尾上,悬臂梁产生变形并迫使内部的压电元件也同步变形,从而产生出与交变升力对应的电荷,通过后续的一系列信号处理电路,最终获得流量信息。

提高抗振动性能的设计方案及其分析:
(1)传感器悬臂梁的探头部分按现有工艺和技术设计为较小的外径d和尽量短的长度L,并且探头内空腔采用抽真空无填充物封装结构,这样的结构保证了该探头悬臂梁的质量最小,设其等效重心为G点,质量为mc质点至支撑点距离为L2管道振动加速度为a,振动加速度垂直于探头轴线方向的分量为α2,则管道振动干扰对悬臂梁的弯矩Mc公式为:
Mg=mGa2L2(3)
  由公式(3)可知,由于悬臂梁质量的客观存在,所以振动产生的干扰弯矩必然存在,但可以减小悬臂梁质量和等效重心的力臂L2长度,在振动干扰强度不变的情况下,mc越轻,作用力臂L2越小,振动干扰产生的弯矩Mc就越小。
(2)如图1所示,传感器探头插人在发生体内的孔洞中,仅通过发生体两侧的导压孔传导出旋涡升力作用于探头扁尾,其他部位不受力;如图2所示,设旋涡升力的作用力臂为L,旋涡升力作用点为B,作用力为Fe1,此时传感器仅B点受旋涡升力作用,升力产生的弯矩Mfea公式为:
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知,此时的力臂L1最大,弯矩Mfel也最大,此时压电传感器输出的信号也最强。
(3)传感器内部信号导线采用刚性结构的铠装导线,该结构可保证在机械振动传感器导线不弯曲和不抖动,导线部分所等效的传感器电容值也会固定不变,减少了因振动源引起的电噪声的产生。
  以上分析说明,该压电式涡街流量传感器感应旋涡升力性能强,受管道振动影响弱。从根本上提高了测量小流量的灵敏度。
2.2提升抗电磁干扰性能的研究和实现
  压电式涡街流量传感器在工作时输出的电荷信号很弱,电压峰峰为毫伏级,并且工作在非谐振状态,极易受空间中的电磁干扰后衰减,所以传感器的制作既要保证它很高的输人阻抗,同时还需有良好的屏蔽和接地要求,以防止漏电流引起的电荷信号衰减和电磁干扰进人电荷放大器的输人端。为此,研制的这种通用涡街流量传感器及其信号处理电路采用了如下的屏蔽工艺等技术方法:
(1)传感器探头体内的元件封装采用无任何填充料的结构,并且采用高温加热和抽真空状态下对传感器进行氩弧焊接封装,该传感器具有常温下104MΩ以上绝缘阻抗和300℃高温下100MΩ绝缘阻抗。
(2)传感器输出导线采用硬质纯镍质内芯的金属铠装线结构,传感器自身的屏蔽效果最好;
(3)传感器探头内成安装的对压电元件采用差动信号输出接线方式,并且其中一极与传感器的金属外壳可靠接地;
(4)传感器末端导线接线端与电荷放大输入电路连接部分也全部采用刚性金属屏蔽單防护工艺;
(5)信号处理电路中将初级电荷放大电路和二二级放大滤波电路设计成独立的电路模块并且也封闭安装在一个金属屏蔽罩内与其他电路特别是数字电路隔离开来,防止了后级数字电路及其他空间电磁场的干扰。传感器及其初级信号处理电路的结构图如图3所示。

  屏蔽可以用控制电场或磁场从空间的一个或到另一个区或的传播,这是克服电场耦合干扰、磁场耦合干扰以及电磁辐射干扰的最有效手段啊。屏蔽的目的是利用导电材料或高导磁率材料来减小磁场、电场或电磁场的强度。屏蔽可以应用于噪声源,通过用屏蔽材料把干扰源包围起来以减弱干扰磁场的强度,屏蔽也可以应用于需要抑制噪声的敏感元件和检测电路,通过用屏蔽材料把敏感元件和电路包围起来以减弱电路附近的场强。屏蔽的范围可以是电缆、个别器件、部分电路或整个电路系统。总之屏蔽对于削弱或切断电场、磁场与电磁辐射三种干扰耦合方式都是行之有效的。本课题就是充分采用后一种屏蔽方案并有效实施。
3样机测试
  根据.上述研究和技改方案,制作了DN150、DN200和DN250三种大口径各10台样机,三种样机在50Hz、1.5g机械振动条件下测试,输出信号频率为零,样机在精大仪表股份有限公司的标准表法气体流量标准装置上用常温常压下空气流量标定,量程比达到20:1以上,1.0级精度合格。其中DN150口径一台样机的测试数据如下表2,最小流速测到了2m/s,量程比扩展到30:1。

4结束语.
  机械振动干扰和电磁干扰时对涡街流量计性能影响的主要因素,直接限制了量程下限,影响了涡街流量计在低流速、小流量时的计量性能。通过从涡街信号产生的源头做起,研制了一种抗干扰性能好的通用型涡街流量传感器,以及对祸街信号第一级传输导线和前置放大处理电路等的可靠屏蔽保护改进措施的两项研究和实现,研制的DN150口径样机在气体流量标准装置上常温常压空气标定量程范围超过20:1,可测最大流量达到4100m3/h(60m/s),最小流速已测到2m/s,实现了宽量程性能;

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