摘要(yao):采用(yong)壓電(dian)晶體(ti)傳感器利(li)用卡(ka)門渦(wo)街原(yuan)理，一(yi)種氣(qi)體流(liu)量計 的(de)結構，分(fen)别對(dui)氣體流量(liang)測量(liang)儀(yi)結(jie)構的(de)各個部(bu)分進行(hang)了分析。并對壓(ya)電晶體産(chan)生的(de)電荷信(xin)号進行(hang)處理(li)，分(fen)析(xi)和設(she)計各個環(huan)節的(de)電路(lu)。該流(liu)量計(ji)所用檢(jian)測壓電元件(jian)不(bu)接觸氣(qi)體，适于惡(e)劣環(huan)境、不(bu)易(yi)結垢，耐(nai)高溫、高壓、安全防爆(bao)，适用于測(ce)量封閉管(guan)道的氣體(ti)累計流量(liang)和瞬(shun)時流(liu)量。
1氣(qi)體流(liu)量的測量(liang)方法(fa)
國(guo)内(nei)儀表市場氣體(ti)流量(liang)計常(chang)見的(de)主要是以(yi)下(xia)幾(ji)類：
（1）差(cha)壓式流量(liang)計
　　差(cha)壓式(shi)流(liu)量計 是(shi)以伯努利(li)方程和流(liu)體連續性(xing)方程爲(wei)依(yi)據，根據節(jie)流(liu)原理，當(dang)流體(ti)流經(jing)節流(liu)件時(shi)(如标準孔(kong)闆、标準噴嘴、長(zhang)徑噴(pen)嘴、經典文(wen)丘利(li)嘴、文(wen)丘利(li)噴嘴(zui)等(deng))，在其前(qian)後産生壓差，此(ci)差壓(ya)值與該流(liu)量的(de)平方(fang)成正(zheng)比。隻(zhi)要能把節(jie)流機構前(qian)後的壓差p1-p2取出來，就(jiu)可以測出流量。
（2）渦輪(lun)流量(liang)計
　　渦(wo)輪流量計 是比(bi)較正(zheng)确(que)的一種(zhong)流量檢(jian)測(ce)裝置(zhi)。當流(liu)體流經渦(wo)輪流量(liang)傳感器時，在(zai)流(liu)體推力(li)作用(yong)下渦(wo)輪受(shou)力旋轉，其(qi)轉速(su)與管道(dao)平(ping)均流(liu)速成(cheng)正(zheng)比，渦輪(lun)流量計的理論(lun)流量(liang)方(fang)程爲

　　式(shi)中，nT爲渦(wo)輪(lun)轉速(su)；qv爲體(ti)積(ji)流量；A爲(wei)流體(ti)物性(密度、粘度等(deng))，渦(wo)輪結(jie)構參數(shu)(渦輪傾(qing)角、渦(wo)輪直徑、流(liu)道截面積(ji)等)有(you)關的(de)參(can)數；B爲與(yu)渦輪頂隙(xi)、流體流速分布(bu)有關(guan)的系數；C爲(wei)與摩(mo)擦力(li)矩(ju)有(you)關的(de)系數(shu)。
（3）渦街(jie)流量(liang)計
　　渦街流量計(ji) 主要用(yong)于(yu)工業(ye)管道(dao)介質(zhi)流體(ti)的流量測(ce)量，如(ru)氣體、液體(ti)、蒸氣(qi)等多種介(jie)質。其(qi)特點(dian)是(shi)壓(ya)力損(sun)失小，量程(cheng)範圍(wei)大，精(jing)度高(gao)，在測(ce)量工(gong)況體(ti)積流(liu)量時(shi)幾乎不受(shou)流體密(mi)度(du)、壓力(li)、溫度(du)、粘度(du)等參(can)數的影響。無可(ke)動機械(xie)零(ling)件，因(yin)此可靠(kao)性(xing)高，維(wei)護量小(xiao)，儀(yi)表參(can)數能(neng)長期穩定。渦街(jie)流(liu)量計流(liu)量方程可用下(xia)式表示

　　式中，f爲(wei)旋渦(wo)的釋放頻(pin)率；v爲流過(guo)旋渦(wo)發生體的流體平均(jun)速度(du)；d爲旋(xuan)渦發生(sheng)體(ti)特征寬度(du)；St爲斯特羅(luo)哈數(shu)，無量(liang)綱，它的數(shu)值範圍爲(wei)0.14－0.27。
（4）超聲波流(liu)量計(ji)
　　超聲(sheng)波流(liu)量計(ji) 由超聲波(bo)換能(neng)器、信号(hao)處理電(dian)路、單片機(ji)控制(zhi)系統3部分組成(cheng)。在有氣(qi)體流動(dong)的管(guan)道中，超聲(sheng)脈沖順流(liu)傳播(bo)的速(su)度要比逆(ni)流時快。流(liu)過管(guan)道的(de)氣(qi)體速度(du)越快(kuai)，超聲(sheng)順流(liu)和逆(ni)流(liu)傳播的(de)時間(jian)差(cha)越(yue)大。分爲時(shi)差式(測量(liang)順流(liu)和(he)逆(ni)流傳播的(de)時間差)、相(xiang)差式(測量(liang)順流和逆(ni)流傳播的(de)相位差)、頻差式(測量順流(liu)和逆(ni)流傳(chuan)播的循環頻率(lü)差)、多普勒(le)超聲波流(liu)量計(ji)(以物(wu)理(li)學(xue)中的(de)多普(pu)勒效(xiao)應爲工作(zuo)原理，适合(he)于對(dui)兩相(xiang)流的測量(liang))。
（5）容積式流(liu)量計
　　容積(ji)式流量計又稱排量(liang)流量計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡(jian)稱PD流(liu)量計(ji)或PDF，在(zai)流量(liang)儀表中(zhong)是(shi)精度最高(gao)的一(yi)類。它(ta)利用(yong)機(ji)械(xie)測量元件(jian)把流體連(lian)續不(bu)斷(duan)地(di)分割(ge)成單(dan)個(ge)已知的(de)體積部分(fen)，根據(ju)計量(liang)室逐次、重(zhong)複地充滿和排放該體積部分(fen)流體的次(ci)數來(lai)測量流量(liang)體積(ji)總量。容積(ji)式流(liu)量計(ji)的理論流(liu)量計算公(gong)式

　　式(shi)中，q爲(wei)工況下的(de)體積流量，m3/s；n爲旋(xuan)轉體的流速，周(zhou)/s；V爲旋(xuan)轉(zhuan)體(ti)每轉(zhuan)一周所排流體(ti)的體(ti)積(ji)，m3/周(zhou)。
　　采用渦街(jie)流(liu)量計測(ce)量高溫氣(qi)體的流量(liang)，下面通過(guo)分析氣體(ti)流量(liang)傳感(gan)器測量氣(qi)體的原(yuan)理，設計(ji)其結(jie)構部(bu)分，采(cai)用雙壓(ya)電(dian)晶體(ti)作爲(wei)傳(chuan)感技術(shu)，測量(liang)其頻(pin)率信号。
2渦(wo)街流量計(ji)工作(zuo)原理與結(jie)構設(she)計
2.1工作原(yuan)理
　　渦(wo)街(jie)流量計(ji)是利(li)用(yong)流體力(li)學中(zhong)卡門(men)渦街原理(li)制作(zuo)的一(yi)種儀表(biao)，如(ru)圖1所(suo)示。

　　把一個非線性對(dui)稱形狀(zhuang)的(de)物體(ti)（如圓(yuan)柱(zhu)體、三角(jiao)柱體、矩形(xing)柱體、六面柱體等，以(yi)下簡(jian)稱漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)）垂(chui)直插在(zai)管道中，流(liu)體繞(rao)過漩(xuan)渦(wo)發生體(ti)時，出(chu)現(xian)了(le)附面(mian)層分(fen)離，在漩渦(wo)發生體左右兩側的(de)後方會産(chan)生漩(xuan)渦，形(xing)成渦列。
　　由(you)于(yu)漩渦之(zhi)間相互影(ying)響，漩(xuan)渦列一(yi)般是不(bu)穩定(ding)的(de)，但卡門(men)從理論上(shang)證明(ming)了當(dang)兩漩(xuan)渦列(lie)之間(jian)的(de)距離h與(yu)同列的2個漩渦(wo)之間的(de)距(ju)離L滿(man)足公(gong)式h/L=0.281時，非對(dui)稱的漩渦列就(jiu)能保(bao)持(chi)穩(wen)定。此時漩渦的(de)頻率(lü)f與流體的(de)流速及漩渦發生體(ti)的寬(kuan)度(du)d有(you)下述(shu)關系

式中
v1———柱體(ti)兩側處的流速(su)(m/s)；
d———柱體(ti)迎流面最(zui)大寬度(m)；
Sr———無(wu)量綱(gang)數，在(zai)柱(zhu)體(ti)形狀(zhuang)确定後，在一定(ding)的雷(lei)諾(nuo)數範圍(wei)内爲常數(shu)，稱爲(wei)斯特(te)勞(lao)哈爾(Strouhal)數(shu)。
根據流動(dong)的連(lian)續性，可(ke)知

式中(zhong)
S1———柱體(ti)兩側(ce)流通(tong)面積(ji)(m2)；
S———管道整個(ge)流通面(mian)積(ji)(m2)；
v———管道(dao)内流(liu)體的平均(jun)流速(m/s)。
設流(liu)通面(mian)積比爲n（當d/D<0.35時，可(ke)認爲(wei)n=1-1.25d/D），則(ze)

2.2結(jie)構設計
　　氣(qi)體(ti)流量計(ji)由傳(chuan)感器(qi)和轉(zhuan)換器(qi)2部分組成(cheng)，如圖(tu)2所(suo)示(shi)。

　　圖(tu)中傳感器(qi)包括旋渦發生(sheng)體(阻(zu)流體)、檢測元件(jian)、儀表(biao)表體(ti)等；轉換器(qi)包括前置(zhi)放(fang)大器、濾(lü)波整形電(dian)路、D/A轉換電(dian)路(lu)、輸出接(jie)口電路、端子、支(zhi)架和防(fang)護罩等(deng)。旋渦發生體是(shi)檢測(ce)器的主要(yao)部件，它與(yu)儀表(biao)的流(liu)量(liang)特性(儀(yi)表系數、線(xian)性度(du)、範圍(wei)度(du)等(deng))和阻(zu)力特性(壓(ya)力損失)密切相(xiang)關，應(ying)選用優良(liang)的材(cai)料，并(bing)使之具有(you)良好的機械性能和抗(kang)腐蝕性(xing)能。
　　氣體流(liu)量計(ji)采用(yong)壓電(dian)元件(jian)作爲檢(jian)測元件(jian)。采用(yong)第一種檢(jian)測方式。檢(jian)測元件密(mi)封安裝在(zai)發生體内(nei)部，不(bu)接觸(chu)被測氣體(ti)。
3壓電晶體(ti)測量原理(li)
3.1壓(ya)電傳感(gan)器的結(jie)構(gou)形式(shi)
　　在壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)中，常(chang)采(cai)用(yong)2片或(huo)2片以上(shang)的(de)壓電(dian)材料組合一起(qi)使用(yong)的(de)2種(zhong)不同(tong)結構形式(shi)。一是2片壓(ya)電片負極(ji)都集中于中間(jian)電極(ji)上，而(er)正極(ji)分别在上下2面(mian)電極(ji)上的并聯(lian)連接(jie)形式。此時，輸出電容Ca'=nCa（n爲并(bing)聯壓(ya)電材料片(pian)數，Ca爲(wei)單片(pian)電容(rong)）；輸出電壓Ua'=nUa（Ua爲單(dan)片的(de)電(dian)壓）；輸出(chu)電荷(he)Q'=nQ（Q爲(wei)單片電(dian)荷）；二是各(ge)單片(pian)壓電(dian)元件正負(fu)極性(xing)順序(xu)相連(lian)接的串聯連接方式(shi)。此時，輸出(chu)電荷(he)Q'=Q（Q爲單片電(dian)荷）；輸出(chu)電壓U'a=nUa(Ua爲(wei)各片(pian)的電(dian)壓)；輸(shu)出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片(pian)電容）。顯然(ran)，并聯(lian)接法(fa)的輸(shu)出電(dian)荷量(liang)大，本(ben)身的(de)電容(rong)也大(da)。因此(ci)，其時(shi)間(jian)常(chang)數大（τ=CaR），适宜(yi)于測量緩(huan)慢變化的(de)信号(hao)，并且還(hai)适用于(yu)以電荷爲(wei)輸出(chu)量的場合(he)。
3.2壓電(dian)傳感(gan)器的測量(liang)電路(lu)
　　由于壓電(dian)傳感器的(de)内阻抗很(hen)高、輸出電(dian)信号(hao)很(hen)弱(ruo)，一般(ban)需将電信(xin)号經(jing)高輸(shu)入(ru)阻(zu)抗的(de)前置放(fang)大器放(fang)大再(zai)進行(hang)傳輸(shu)、處理(li)和(he)測量。前(qian)置放(fang)大(da)器(qi)的主要作(zuo)用是(shi)将壓(ya)電信号經(jing)過前置放大器的阻(zu)抗變換(huan)成低阻(zu)抗輸(shu)出(chu)，也起到(dao)放大弱信号的(de)作用(yong)。壓(ya)電傳感(gan)器的(de)輸(shu)出(chu)信号(hao)經過前置放大(da)器的(de)阻抗(kang)變換和放(fang)大(da)後，就可(ke)以采(cai)用一(yi)般的(de)放大(da)、檢波指示(shi)或通過功(gong)率放大至紀錄和數(shu)據處理設(she)備。
　　按(an)照壓(ya)電式傳感(gan)器的工(gong)作(zuo)原理及其等效電路(lu)，傳感(gan)器可(ke)堪稱電壓(ya)發(fa)生器，也(ye)可以看作(zuo)是電荷發(fa)生器。因此(ci)前置放(fang)大(da)器也有2種(zhong)形式：一種(zhong)是電壓(ya)放大器(qi)，一般稱作阻抗(kang)變換器，其(qi)輸出電壓與輸入電(dian)壓成比例(li)；另一種是(shi)電荷放大(da)器，其(qi)輸出(chu)電壓(ya)與輸(shu)入電荷成(cheng)比例。
4結(jie)語
　　當前(qian)國内外幾種流(liu)量計應(ying)用的基(ji)礎上，采取渦街(jie)流量(liang)計測量流(liu)量的原(yuan)理測量(liang)高溫氣體(ti)的流(liu)量。針(zhen)對(dui)壓電傳(chuan)感器進行(hang)分析(xi)，利用(yong)壓電(dian)晶體(ti)進行測量(liang)的原(yuan)理，并對其壓電(dian)傳感器的(de)結構形式(shi)進(jin)行分析(xi)。

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