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                      渦街流量計

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                      渦街流量計的抗干擾措施以及兩種干擾問題

                      來源:作者:發表時間:2018-04-24 10:20:19

                         摘要:從渦街流量計的基本工作原理展開 ,介紹了渦街流量計抗電磁干擾和機械振動干擾的措施 ,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 ,不受被測介質物理性質的影響 ,信號便于遠傳等特點 , 應用技術日趨完善 , 尤其在大管徑和水 、油等液體介質的流量測量方面應用更加廣泛。
                       
                               渦街流量計是基于流體動力學中的卡門渦街原理制成的 。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(壓力、溫度、密度等)無關,即 :
                       
                               式中 :Q 為一體積流量 ;k 為儀表常數;f 為旋渦頻率 。根據上述測量原理, 渦街流量計的一個特點就是易受電磁和機械振動的干擾 ,由此造成在一些場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。解決抗干擾問題是擴展量程下限、改進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 ,所得壓電信號經交流放大和觸發器 ,將旋渦頻率變成脈沖信號 。脈沖信號送到二次儀表經換算后顯示被
                      測流量 。其中, 交流放大器的放大倍數 K 和觸發器的門限電壓U 可以調整, 如圖 1 所示 。
                      渦街流量計原理圖
                               圖1 中信號電壓為 E 、干擾信號折算到輸入端為V、門限電壓 U 折算到輸入端為 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 。為了使門限電壓能阻止干擾信號以保證觸發器能輸出有效信號 ,必須使干擾信號 V 小于門限電壓u , 而有效信號電壓 E 大于門限電壓 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干擾和機械振動干擾兩種 ,如何解決這兩種抗干擾問題就成為改進渦街流量計的關鍵。
                       
                               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和射頻干擾 ;對于磁場的干擾 , 可以在內部電路設計中通過優選非磁性元件 、印刷電路板合理布線等辦法解決 ,隨著電子技術的發展和制造工藝的完善也不成問題 。因此抗電磁干擾主要是抗地線電流干擾 。
                       
                               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。壓電晶體的地線與二次儀表的地線之間極可能存在跨步電壓形成電流 。這個電流在信號放大器的地線中流過就會有壓降 , 這個壓降與有效信號迭加在一起, 無法分離 , 就是地線電流干擾 。
                       
                               地線電流干擾的解決措施是減小或消除了地線電流, 好徹底的辦法是把二次儀表來的直流電源隔離。即將直流電源經變壓器隔離后再整流成直流供給渦街流量計 ,使二次儀表的地線與壓電晶體的地線之間無任何電氣連接。同時有效測量信號經前置放大后變成脈沖信號 , 經脈沖變壓器輸至二次儀表 , 根本上消除地線電流的影響 ,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現, 大大降低了實用性 。光隔離限流抗干擾措施 , 能有效減小地線電流的干擾 。原理如圖 2 所示 。
                      光隔離抗干擾原理圖
                               圖中 , a 是壓電晶體的接地點 , b 是二次儀表的接地點 。在地線回路中接入電阻 r ,于是 a 、b 兩點間的地線電流被電阻r 限制 , a 、b 兩點間的電壓降在電阻r兩端。電阻 r 兩端的電壓降反映到電源正線上則被三端穩壓器R 阻擋, 前置放大器地線回路的電阻比電阻 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中只有很小的地線電流。壓電晶體的有效信號經放大后, 由光隔離器件隔離輸出, 采用這種辦法地線電流的干擾至少可以降低一個數量級。
                       
                               可以看出, 使用光隔離限流抗干擾時為了使電源電壓有足夠的余量以阻擋跨步電壓 ,信號放大器的地線與壓電晶體的地線之間必須很好連接, 才能保證前置放大器地線回路電阻極小。同時直流電源電壓的選擇應符合下式 :
                      V 1 -V 2 -V R ≥V 2 f
                               式中:V 1 為電源電壓 ;V 2 為放大器用的電壓 ;V R 為三端穩壓器VR 的好低電壓 ;V 2 f 為電阻r 兩端交流電壓雙峰值。
                       
                               機械振動對渦街流量計的干擾更為普遍 , 抗機械振動干擾的措施還要從渦街流量計的基本原理入手。渦街流量計的敏感元件即壓電晶體, 封裝在阻流體或稱旋渦發生體內, 流體流經阻流體時 ,阻流體兩側交替產生旋渦 , 旋渦的脈動壓力作用于壓電晶體 ,使其產生與旋渦頻率或測量流量對應的信號電壓 ,經放大 、觸發等信號處理后轉換成脈沖信號輸出。同時, 管道的機械振動也同樣作用于壓電晶體 ,使其產生對應于振動頻率的信號 ,這個振動干擾信號與流量測量有效信號無法分開 。只有當有效信號幅值超過干擾信號幅值時 ,才能由門限取出有效信號 。機械振動干擾信號的好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干擾信號的幅值。改進阻流體的結構形狀 , 使傳感器能更好地接收旋渦的脈動壓力 , 可使有效信號幅值提高 。但更有效的辦法是在旋渦發生體的兩側封裝對應的兩塊壓電晶體, 即采用差動壓電傳感器和差動放大電路(見圖 3)。由于機械振動對 2塊壓電晶體的作用力是一致的 ,而流體旋渦在阻流體兩側是交替產生的 ,通過差動放大后 ,2 塊壓電晶體相同的機械振動信號相互抵消削減 , 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信號的干擾。
                      光隔離抗干擾原理圖
                      4  結束語
                               電磁干擾和機械振動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, 可以有效解決地線電流的干擾, 解決抗電磁干擾的主要問題 ;結構設計上采用雙壓電晶體的差動壓電傳感器和差動放大電路可消除機械振動的干擾 。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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