摘要:從渦街流量計的基本工作原理展開(kāi),介紹了渦街流量計抗電磁干擾和機械振動(dòng)干擾的措施,采用這種辦法，可以有效擴展渦街流量計的量程下限,從而改進(jìn)其性能。
1引言
在眾多的流量檢測解決方案中,渦街流量計由于測量精度高，壓力損失小,安裝方便,不受被測介質(zhì)物理性質(zhì)的影響,信號便于遠傳等特點(diǎn),應用技術(shù)日趨完善,尤其在大管徑和水、油等液體介質(zhì)的流量測量方面應用更加廣泛。
渦街流量計是基于流體動(dòng)力學(xué)中的卡門(mén)渦街原理制成的。在一定的雷諾數范圍內,流體的流速或體積流量和旋渦頻率成正比而與流體的物理性質(zhì)(壓力、溫度、密度等)無(wú)關(guān),即:
Q=kƒ
式中:Q為一體積流量;k為儀表常數;ƒ為旋渦頻率。根據上述測量原理,渦街流量計的一個(gè)特點(diǎn)就是易受電磁和機械振動(dòng)的干擾,由此造成在一些場(chǎng)合限制了渦街流量計的正常使用,這也是渦街流量計的工作條件。解決抗干擾問(wèn)題是擴展量程下限、改進(jìn)渦街流量計的有效途徑。
2工作條件
渦街流量計的阻流體以壓電晶體檢測旋渦頻率,所得壓電信號經(jīng)交流放大和觸發(fā)器,將旋渦頻率變成脈沖信號。脈沖信號送到二次儀表經(jīng)換算后顯示被測流量。其中，交流放大器的放大倍數K和觸發(fā)器的門(mén)限電壓U可以調整，如圖1所示。
圖1中信號電壓為E、干擾信號折算到輸人端為V、門(mén)限電壓U折算到輸人端為u、交流放大倍數為K.因u=UK,故調整K或者U的效果是相同的。為了使門(mén)限電壓能阻止干擾信號以保證觸發(fā)器能輸出有效信號,必須使干擾信號V小于門(mén)限電壓u,而有效信號電壓E大于門(mén)限電壓u,即渦街流量計的工作條件是:
E>u>V
干擾信號V的大小決定渦街流量計的量程下限。因此擴展渦街流量計的量程下限必須從降低干擾信號V入手。調整交流放大倍數K只能對輸出信號加
強，而量程下限并不能得到擴展。
3抗干擾措施
渦街流量計的干擾信號主要有電磁千擾和機械(振動(dòng)干擾兩種,如何解決這兩種抗千擾問(wèn)題就成為改進(jìn)渦街流量計的關(guān)鍵。
渦街流量計通常采用金屬外殼,外殼的屏蔽效應可以防止電場(chǎng)和射頻干擾;對于磁場(chǎng)的干擾,可以在內部電路設計中通過(guò)優(yōu)選非磁性元件、印刷電路板合理布線(xiàn)等辦法解決,隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的完善也不成問(wèn)題。因此抗電磁干擾主要是抗地線(xiàn)電流干擾。
渦街流量計的壓電晶體裝在阻流體結構上,壓電晶體的一端接外殼,故信號前置放大器必然接地。渦街流量計的輸出信號送到二次儀表,而信號放大所需的直流電源又由二次儀表提供。壓電晶體的地線(xiàn)與二次儀表的地線(xiàn)之間極可能存在跨步電壓形成電流。這個(gè)電流在信號放大器的地線(xiàn)中流過(guò)就會(huì )有壓降,這個(gè)壓降與有效信號迭加在一起,無(wú)法分離,就是地線(xiàn)電流干擾。
地線(xiàn)電流干擾的解決措施是減小或消除了地線(xiàn)電流，最徹底的辦法是把二次儀表來(lái)的直流電源隔離。即將直流電源經(jīng)變壓器隔離后再整流成直流供給渦街流量計,使二次儀表的地線(xiàn)與壓電晶體的地線(xiàn)之間無(wú)任何電氣連接。同時(shí)有效測量信號經(jīng)前置放大后變成脈沖信號,經(jīng)脈沖變壓器輸至二次儀表,根本上消除地線(xiàn)電流的影響，是一種極其有效的抗干擾措施。然而變壓器隔離的辦法成本相對較高,體積又大,制造工藝上不容易實(shí)現,大大降低了實(shí)用性。光隔離限流抗干擾措施,能有效減小地線(xiàn)電流的千擾。原理如圖2所示。
圖中，a是壓電晶體的接地點(diǎn),b是二次儀表的接地點(diǎn)。在地線(xiàn)回路中接人電阻r,于是a、b兩點(diǎn)間的地線(xiàn)電流被電阻r限制,a、b兩點(diǎn)間的電壓降在電阻r兩端。電阻r兩端的電壓降反映到電源正線(xiàn)上則被三端穩壓器R阻擋,前置放大器地線(xiàn)回路的電阻比電阻r小很多，由于電阻r的分壓作用,渦街流量計的前置放大級器地線(xiàn)中只有很小的地線(xiàn)電流。壓電晶體的有效信號經(jīng)放大后,由光隔離器件隔離輸出，采用這種辦法地線(xiàn)電流的干擾至少可以降低一個(gè)數量級。
可以看出,使用光隔離限流抗干擾時(shí)為了使電源電壓有足夠的余量以阻擋跨步電壓,信號放大器的地線(xiàn)與壓電晶體的地線(xiàn)之間必須很好連接,才能保證前置放大器地線(xiàn)回路電阻極小。同時(shí)直流電源電壓的.選擇應符合下式:
V1-V2-VR≥V2ƒ
式中:V1為電源電壓;V2為放大器用的電壓;VR為三端穩壓器VR的最低電壓;V2ƒ為電阻r兩端交流電壓雙峰值。
機械振動(dòng)對渦街流量計的干擾更為普遍，抗機械振動(dòng)千擾的措施還要從渦街流量計的基本原理人手。
渦街流量計的敏感元件即壓電晶體,封裝在阻流體或稱(chēng)旋渦發(fā)生體內，流體流經(jīng)阻流體時(shí),阻流體兩側交替產(chǎn)生旋渦，旋渦的脈動(dòng)壓力作用于壓電晶體，使其產(chǎn)生與旋渦頻率或測量流量對應的信號電壓,經(jīng)放大、觸發(fā)等信號處理后轉換成脈沖信號輸出。同時(shí),管道的機械振動(dòng)也同樣作用于壓電晶體,使其產(chǎn)生對應于振動(dòng)頻率的信號,這個(gè)振動(dòng)干擾信號與流量測量有效信號無(wú)法分開(kāi)。只有當有效信號幅值超過(guò)干擾信號幅值時(shí),才能由門(mén)限取出有效信號。機械振動(dòng)干擾信號的最大幅值就成為被測流量的信號幅值下限,即量程下限。
為了使渦街流量計盡可能測量低流速、小流量,必須提高信噪比，即盡量提高有效流量信號的幅值而降低機械振動(dòng)干擾信號的幅值。改進(jìn)阻流體的結構形狀,使傳感器能更好地接收旋渦的脈動(dòng)壓力,可使有效信號幅值提高。但更有效的辦法是在旋渦發(fā)生體的兩側封裝對應的兩塊壓電晶體,即采用差動(dòng)壓電傳感器和差動(dòng)放大電路(見(jiàn)圖3)。由于機械振動(dòng)對2塊壓電晶體的作用力是--致的,而流體旋渦在阻流體兩側是交替產(chǎn)生的,通過(guò)差動(dòng)放大后,2塊壓電晶體相同的機械振動(dòng)信號相互抵消削減,2塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是,大大降低了機械振動(dòng)信號的干擾。
4結束語(yǔ)
電磁于擾和機械振動(dòng)干擾是渦街流量計的重要干擾因素,限制了量程下降,影響渦街流量計在低流速、小流量測量中的使用。通過(guò)在電路上設計采用光隔離限流抗干擾措施,可以有效解決地線(xiàn)電流的干擾，解決抗電磁干擾的主要問(wèn)題;結構設計上采用雙壓電晶體的差動(dòng)壓電傳感器和差動(dòng)放大電路可消除機械振動(dòng)的干擾。以上兩種抗干擾措施共同采用的結果,可以將渦街流量計的量程下限擴展至原量程下限的1/2~1/3。
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