0引言
近年來(lái)，振動(dòng)測(cè)量技術(shù)得以在航空、航天、電子、船舶等多領(lǐng)域發(fā)展和應(yīng)用，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也因此成為了學(xué)者們爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)話題。振動(dòng)測(cè)量技術(shù)是運(yùn)用現(xiàn)代檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的檢測(cè)，測(cè)量其流體的振動(dòng)頻率，進(jìn)而確定流體在管道中流速與流量，而渦街流量計(jì)正是一種基于振動(dòng)測(cè)量原理的流量測(cè)量?jī)x表，其主要用來(lái)測(cè)量渦街流體在管道中產(chǎn)生的旋渦頻率，是依據(jù)流體振動(dòng)頻率與流速之間的比例關(guān)系的原理來(lái)工作的。渦街流量計(jì)應(yīng)用過(guò)程中需要利用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，將振動(dòng)量轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電荷量，并將電荷量轉(zhuǎn)化為電壓量，而電荷放大器在這其中起了關(guān)鍵性作用，由此也成了本文的研究重點(diǎn)，為了提升渦街流量計(jì)的測(cè)量精度。
1振動(dòng)測(cè)量?jī)?nèi)容介紹
振動(dòng)測(cè)量技術(shù)是一種現(xiàn)代常用的流量測(cè)量方法之一，其依據(jù)振動(dòng)測(cè)量基本原理對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，并將振動(dòng)運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)化為與之成一定比例的電學(xué)或是其它易于觀察、分析和處理的物理信號(hào)，最后通過(guò)對(duì)該信號(hào)頻率的計(jì)算分析，獲取機(jī)械振動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的測(cè)量。
振動(dòng)測(cè)量可根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的類(lèi)型，將儀器設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)分為兩類(lèi):確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，本文所研究渦街流量計(jì)中流體所引起的振動(dòng)，是其中的確定性振動(dòng)，利用振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集，對(duì)流體的振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，從而可以推算出流體的流量與速度。該基于振動(dòng)測(cè)量技術(shù)原理的渦街流量計(jì)目前已經(jīng)被廣泛用于氣體、液體和蒸汽流量的測(cè)量。同時(shí)，渦街流量計(jì)對(duì)于振動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)是檢測(cè)流體振動(dòng)的特征參數(shù)，在具體的測(cè)量過(guò)程中可采用的方法有三類(lèi):機(jī)械量法、光測(cè)法和電測(cè)法，本文所研究的渦街流量計(jì)中的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)采用的是電測(cè)法，運(yùn)用振動(dòng)測(cè)量傳感器獲取機(jī)械振動(dòng)信號(hào),并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)電荷放大器進(jìn)行調(diào)理放大，進(jìn)而確定流體在管道中流速與流量。
2振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)上述內(nèi)容可知，本文振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究中采用的是電測(cè)法，這是振動(dòng)測(cè)量中常用方法，與光測(cè)法和機(jī)械法比較而言，該方法具有使用頻率范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍廣，測(cè)量靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，而且電測(cè)法能夠適用于不同的測(cè)振傳感器，而信號(hào)也便于被記錄、處理和傳送。由此，本文中的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由:振動(dòng)傳感器、電荷放大器、信號(hào)分析儀等構(gòu)成，如圖1所示。
2．1振動(dòng)測(cè)量傳感器
振動(dòng)測(cè)量傳感器是獲取振動(dòng)信息的重要裝置，是振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的核心部分，其種類(lèi)很多，在具體的應(yīng)用測(cè)量中應(yīng)結(jié)合不同的測(cè)量方法和目的選用不同的傳感器，以保證測(cè)量效果�，F(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量傳感器完全改變了傳統(tǒng)的獨(dú)立機(jī)械測(cè)量裝置，已經(jīng)成為整個(gè)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，用來(lái)檢測(cè)位移、速度、加速度、頻率和相位，而且還與電荷放大器等相關(guān)電子線路存在密切相關(guān)性。
同時(shí)，振動(dòng)測(cè)量傳感其在機(jī)電變換原理方面存在差異性，輸出的電量形式并不相同，一般會(huì)將機(jī)械量的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻、電感等電參數(shù)的變化，而且要設(shè)置專(zhuān)有的測(cè)量路線以便針對(duì)不同的機(jī)電變化原理，將傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)化成為后續(xù)顯示、記錄、分析儀所接受的電信號(hào)形式。
2．2電荷放大器
電荷放大器能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘?hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號(hào)，同時(shí)又能夠?qū)鞲衅鞯母咦杩馆敵鲛D(zhuǎn)換成低阻抗輸出，并成功驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。同時(shí)，在振動(dòng)測(cè)量中，鑒于振動(dòng)傳感器在特性上呈現(xiàn)出的差異性，測(cè)量參數(shù)涉及位移、速度以及加速度，而且這些被測(cè)振動(dòng)量的峰值、振動(dòng)頻率、周期和相位差等相關(guān)參數(shù)也應(yīng)該包含其中，由此，為了使測(cè)量參數(shù)能夠以最佳的方式獲得，在振動(dòng)傳感器與信號(hào)分析儀之間需要設(shè)置電荷放大器以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、速度和加速度等不同電荷量信號(hào)的放大，并將其轉(zhuǎn)化成電壓或是電流信號(hào)。
2．3振動(dòng)信號(hào)分析儀
振動(dòng)信號(hào)分析儀能夠顯示振動(dòng)的測(cè)量參數(shù)“加速度，速度，位移值”，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及分析功能，還可以正確診斷(如:不平衡，不對(duì)中，機(jī)械松動(dòng)，軸承故障，齒輪箱故障)引起的振動(dòng)過(guò)大，指出故障發(fā)生的位置及損壞程度，從而全面的掌握機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀況及發(fā)展趨勢(shì)。
3渦街流量計(jì)的工作原理
本文渦街流量計(jì)是基于”卡門(mén)渦街“原理而發(fā)展而來(lái)的一種流量測(cè)量?jī)x器，其利用流體振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。渦街流量計(jì)是在流體的垂直流向上安裝一根或是多跟非流線型旋渦發(fā)生體，在流體的流速達(dá)到特定比值時(shí)，會(huì)在阻流體的兩側(cè)各自釋放分離出兩串規(guī)則的旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，而且在一定的一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)流體的振動(dòng)頻率與流速成相關(guān)性，運(yùn)用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)旋渦分離頻率就能夠推算出流體的平均流速和流量，具體的工作原理如圖2所示。
當(dāng)前，渦街流量計(jì)已經(jīng)成為主要流量測(cè)量?jī)x器之一，因其測(cè)量可靠性好，測(cè)量范圍寬而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、發(fā)電等領(lǐng)域，在對(duì)液體、氣體、蒸汽的流量計(jì)量及檢測(cè)和控制方面呈現(xiàn)良好的利用價(jià)值。然而，因?yàn)闇u街流量計(jì)是利用振動(dòng)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體測(cè)量的，其較易受到外界的干擾，影響了其測(cè)量精度;同時(shí)，由于渦街傳感器傳輸?shù)男盘?hào)微弱，在噪聲的影響下小流量測(cè)量受限。為了保證渦街流量計(jì)的測(cè)量精度，應(yīng)充分地利用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，并減小電荷放大電路的噪聲，從而提高其應(yīng)用性能。
4振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用
4．1渦街流量計(jì)流體振動(dòng)檢測(cè)
渦街流量計(jì)采用的是上述振動(dòng)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體檢測(cè)的，對(duì)于渦街流量計(jì)的振動(dòng)檢測(cè)而言，其只需檢測(cè)流體振動(dòng)的特征參數(shù)，也即流體在具體應(yīng)用管道中產(chǎn)生的旋渦頻率即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量獲取振動(dòng)測(cè)量信號(hào)。當(dāng)前，渦街流量計(jì)中應(yīng)用的振動(dòng)檢測(cè)方式可采用:壓電式和電容式，壓電式是通過(guò)交替旋渦導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)使其檢測(cè)元件壓電晶體產(chǎn)生電脈沖來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，而電容式的檢測(cè)元件是電容，其通過(guò)旋渦產(chǎn)生的壓差促使電容量改變差值來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量，其中壓電元件在響應(yīng)速度，以及其不易受流體密度、粘度和溫度的影響，具有良好的穩(wěn)定性，由此得以在渦街流量計(jì)中廣泛應(yīng)用。渦街流量計(jì)流體振動(dòng)檢測(cè)具體如圖3所示。
本文渦街流量計(jì)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的壓電式傳感器的輸出的微弱電信號(hào)，同上述振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一樣需要將電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)高輸入阻抗的前置放大器的阻抗交換之后，才能夠?qū)⒔柚诜糯髾z波電路將傳感器信號(hào)傳輸?shù)斤@示儀表或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，這一過(guò)程都是依據(jù)振動(dòng)檢測(cè)的相關(guān)原理和技術(shù)來(lái)完成的。
4．2渦街流量計(jì)傳感器
渦街流量計(jì)傳感器采用壓電傳感器，該傳感器測(cè)量效率高，可不用直接接觸測(cè)量介質(zhì)就能實(shí)現(xiàn)流體測(cè)量，通常運(yùn)用壓電元件的應(yīng)力檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行振動(dòng)頻率的測(cè)量，具體操作過(guò)程是將有漩渦產(chǎn)生的交替變化的壓力轉(zhuǎn)化為壓電傳感器電荷信號(hào)，電荷信號(hào)的變化頻率與旋渦脫落頻率相同，經(jīng)過(guò)電子線路處理后的交變電荷轉(zhuǎn)化成旋渦頻率，因旋渦頻率與流體流量成正相關(guān)性，由此也就得到了流體流量。利用壓電晶體元件進(jìn)行旋渦分離頻率的檢測(cè)，在柱體后部?jī)蓚?cè)實(shí)現(xiàn)旋渦的交替分離，從而促使壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生，經(jīng)安裝在主體候補(bǔ)尾流中順的探頭檢測(cè)到交變力，并使得位于探頭內(nèi)部的壓電晶體元件在交變力的壓力作用下產(chǎn)生變電荷，交變電荷信號(hào)在被檢測(cè)放大器處理或數(shù)字信號(hào)處理后，輸出頻率信號(hào)，或是轉(zhuǎn)化成與流量成比例的4～20mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
4．3渦街流量計(jì)放大電路
渦街流量計(jì)中傳感器所輸出的電壓信號(hào)，需要放大電路將其放大并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，利用振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的測(cè)量電路關(guān)鍵在于前置放大器的設(shè)置，其不僅能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)從高阻抗變?yōu)榈妥杩�，還能夠?qū)鞲衅魑⑷醯碾娦盘?hào)進(jìn)行放大。前置放大電路可采用電壓放大器或是用帶電融反饋的電荷放大器，本文采用電荷放大器作為渦街流量計(jì)的轉(zhuǎn)換裝置，放大、濾波、整形后變成頻率與流速成正比的脈沖信號(hào)，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)處理得到流量信號(hào)，以此來(lái)提高渦街流量計(jì)的抗干擾能力。
5結(jié)語(yǔ)
機(jī)械振動(dòng)是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，其直接影響著機(jī)器精度和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而通過(guò)機(jī)械振動(dòng)原理發(fā)展而來(lái)的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)則是工業(yè)控制和生產(chǎn)中的重要內(nèi)容之一，尤其與渦街流量計(jì)中的振動(dòng)檢測(cè)原理存在眾多相通處，為振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用提供了可能性，由此，本文針對(duì)渦街流量計(jì)中振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有重要的理論意義和使用價(jià)值，并能夠推動(dòng)渦街流量計(jì)的不斷創(chuàng)新發(fā)展提供相關(guān)依據(jù)。
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