如何處理好干擾對(duì)流量計(jì)帶來(lái)的影響
在眾多的流量檢測(cè)解決方案中，渦街流量計(jì)由于測(cè)量精度高，壓力損失小，安裝方便，不受被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)的影響，信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等特點(diǎn)，應(yīng)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(cè)量方面應(yīng)用更加廣泛。
渦街流量計(jì)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(shù)范圍內(nèi)，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=k f
式中：Q為一體積流量；k為儀表常數(shù)；f 為旋渦頻率。
根據(jù)上述測(cè)量原理，渦街流量計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)就是易受電磁和機(jī)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(jì)的正常使用，這也是渦街流量計(jì)的工作條件。解決抗干擾問(wèn)題是擴(kuò)展量程下限、改進(jìn)渦街流量計(jì)的有利途徑。
2 工作條件
渦街流量計(jì)的阻流體以壓電晶體檢測(cè)旋渦頻率，得壓電信號(hào)經(jīng)交流放大和觸發(fā)器，將旋渦頻率變成脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)送到二次儀表經(jīng)換算后顯示被測(cè)流量。其中，交流放大器的放大倍數(shù)K和觸發(fā)器的門(mén)限電壓可以調(diào)整。
信號(hào)電壓為E、干擾信號(hào)折算到輸入端為V、門(mén)限電壓U折算到輸入端為u、交流放大倍數(shù)為K。因u=UK，故調(diào)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(hào)以保持觸發(fā)器能輸出有信號(hào)，使干擾信號(hào)V小于門(mén)限電壓u，而有信號(hào)電壓E大于門(mén)限電壓u，即渦街流量計(jì)的工作條件是：
E > u > V
干擾信號(hào)V的大小決定渦街流量計(jì)的量程下限。因此擴(kuò)展渦街流量計(jì)的量程下限一定要從降低干擾信號(hào)入手。調(diào)整交流放大倍數(shù)K只能對(duì)輸出信號(hào)加強(qiáng)，而量程下限并不能得到擴(kuò)展。
3 抗干擾措施
渦街流量計(jì)的干擾信號(hào)主要有電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)干擾兩種，如何解決這兩種抗干擾問(wèn)題就成為改進(jìn)渦街流量計(jì)的關(guān)鍵。渦街流量計(jì)通常采用金屬外殼，外殼的屏蔽效應(yīng)可以防止電場(chǎng)和射頻干擾；對(duì)于磁場(chǎng)的干擾，可以在內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中通過(guò)優(yōu)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(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電流干擾。
渦街流量計(jì)的壓電晶體裝在阻流體結(jié)構(gòu)上，壓電晶體的一端接外殼，故信號(hào)前置放大器選接地。渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)送到二次儀表，而信號(hào)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較可能存在跨步電壓形成電流。這個(gè)電流在信號(hào)放大器的地線中流過(guò)就會(huì)有壓降，這個(gè)壓降與有信號(hào)迭加在一起，無(wú)法分離，就是地線電流干擾。
渦街流量計(jì)地線電流干擾的解決措施是減小或去除了地線電流，較要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(jì)，使二次儀表的地線與壓電晶體的地線之間無(wú)任何電氣連接。同時(shí)有測(cè)量信號(hào)經(jīng)前置放大后變成脈沖信號(hào)，經(jīng)脈沖變壓器輸出至二次儀表，根本上去除地線電流的影響，是一種較其有的抗干擾措施。然而變壓器隔離的辦法成本相對(duì)較高，體積又大，制造工藝上不容易實(shí)現(xiàn)，大大降低了實(shí)用性。光隔離限流抗干擾措施，能有減少地線電流的干擾。
a是壓電晶體的接地點(diǎn)，b是二次儀表的接地點(diǎn)。在地線回路中接入電阻r，于是a、b兩點(diǎn)間的地線電流被電阻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上則被三端穩(wěn)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(jì)的前置放大器地線中只有很小的地線電流。壓電晶體的有利信號(hào)經(jīng)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(hào)放大器的地線與壓電晶體的地線之間一定要很好連接，才能保持前置放大器地線回路電阻較小。同時(shí)直流電源電壓的選擇應(yīng)符合下式：
V1- V2- VR = V2 f
式中：V1為電源電壓；V2為放大器用的電壓；VR為三端穩(wěn)壓器的較低電壓； V2 f 為電阻r 兩端交流電壓雙峰值。
機(jī)械振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)的干擾更為普遍，抗機(jī)械振動(dòng)干擾的措施還要從渦街流量計(jì)的基本原理入手。渦街流量計(jì)的傳感元件即壓電晶體，封裝在阻流體或稱旋渦發(fā)生體內(nèi)，流體流經(jīng)阻流體時(shí)，阻流體兩側(cè)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(cè)量流量對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓，經(jīng)放大、觸發(fā)等信號(hào)處理后轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出。同時(shí)，管道的機(jī)械振動(dòng)也同樣作用于壓電晶體，使其產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于振動(dòng)頻率的信號(hào)，這個(gè)振動(dòng)干擾信號(hào)與流量測(cè)量信號(hào)無(wú)法分開(kāi)。只有當(dāng)信號(hào)幅值較過(guò)干擾信號(hào)幅值時(shí)，才能由門(mén)限取出信號(hào)。機(jī)械振動(dòng)干擾信號(hào)的較大幅值就成為被測(cè)流量的信號(hào)幅值下限，即量程下限。
為了使渦街流量計(jì)盡可能測(cè)量低流速、小流量，一定要提高信噪比，即盡量提高有用流量信號(hào)的幅值而降低機(jī)械振動(dòng)干擾信號(hào)的幅值。改進(jìn)阻流體的結(jié)構(gòu)形狀，使傳感器能更好地接收旋渦的脈動(dòng)壓力，可使有用信號(hào)幅值提高。但更有用的辦法是在旋渦發(fā)生體的兩側(cè)封裝對(duì)應(yīng)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。由于機(jī)械振動(dòng)對(duì)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(cè)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(jī)械振動(dòng)信號(hào)相互抵消削減，2塊壓電晶體相反的流量信號(hào)相加后增強(qiáng)。于是，大大降低了機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的干擾。
4 結(jié)束語(yǔ)
電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)干擾是渦街流量計(jì)的重要干擾因素，限制了量程下降，影響渦街流量計(jì)在低流速、小流量測(cè)量中的使用。通過(guò)在電路上設(shè)計(jì)采用光隔離限流抗干擾措施，可以很好解決地線電流的干擾，解決抗電磁干擾的主要問(wèn)題；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用雙壓電晶體的差動(dòng)壓電傳感器和差動(dòng)放大電路可去除機(jī)械振動(dòng)的干擾。以上兩種抗干擾措施共同采用的結(jié)果，可以將渦街流量計(jì)的量程下限擴(kuò)展至原量程下限的1/2～1/3。
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