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振动测量技术在涡街流量计中应用
发布时间:2017-01-05

0引言
  近年来,随着振动实验的深入研究,振动测量技术得以在航空、航天、电子、船舶等多领域发展和应用,呈现出良好的发展态势,也因此成为了学者们争相研究的热点话题。振动测量技术是运用现代检测手段实现对机械结构振动的检测,测量其流体的振动频率,进而确定流体在管道中流速与流量,而涡街流量计正是一种基于振动测量原理的流量测量仪表,其主要用来测量涡街流体在管道中产生的旋涡频率,是依据流体振动频率与流速之间的比例关系的原理来工作的。涡街流量计应用过程中需要利用振动检测技术,将振动量转化为相对应的电荷量,并将电荷量转化为电压量,而电荷放大器在这其中起了关键性作用,由此也成了本文的研究重点,为了提升涡街流量计的测量精度,本文就振动测量检测技术进行了深入分析、研究,采用低噪声电荷放大器设计,并就相关电路的功能、结构作了详细的探讨。
1振动测量内容介绍
  振动测量技术是一种现代常用的流量测量方法之一,其依据振动测量基本原理对机械结构振动进行检测,并将振动运动量转化为与之成一定比例的电学或是其它易于观察、分析和处理的物理信号,最后通过对该信号频率的计算分析,获取机械振动结构的振动特性,从而实现对机械设备振动的测量。
  振动测量可根据结构振动的类型,将仪器设备的振动信号分为两类:确定性振动和随机振动,本文所研究涡街流量计中流体所引起的振动,是其中的确定性振动,利用振动传感器实现振动信号的采集,对流体的振动频率进行测量,从而可以推算出流体的流量与速度。该基于振动测量技术原理的涡街流量计目前已经被广泛用于气体、液体和蒸汽流量的测量。同时,涡街流量计对于振动测量来说是检测流体振动的特征参数,在具体的测量过程中可采用的方法有三类:机械量法、光测法和电测法,本文所研究的涡街流量计中的振动测量技术采用的是电测法,运用振动测量传感器获取机械振动信号,并将其转化成电信号,通过电荷放大器进行调理放大,进而确定流体在管道中流速与流量。
2振动测量系统的构成
  根据上述内容可知,本文振动测量系统研究中采用的是电测法,这是振动测量中常用方法,与光测法和机械法比较而言,该方法具有使用频率范围宽,动态范围广,测量灵敏度高等优势,而且电测法能够适用于不同的测振传感器,而信号也便于被记录、处理和传送。由此,本文中的振动测量系统主要由:振动传感器、电荷放大器、信号分析仪等构成,如图1所示。

2.1振动测量传感器
  振动测量传感器是获取振动信息的重要装置,是振动测量系统的核心部分,其种类很多,在具体的应用测量中应结合不同的测量方法和目的选用不同的传感器,以保证测量效果。现代振动测量传感器完全改变了传统的独立机械测量装置,已经成为整个振动测量系统的一个重要组成部分,用来检测位移、速度、加速度、频率和相位,而且还与电荷放大器等相关电子线路存在密切相关性。
  同时,振动测量传感其在机电变换原理方面存在差异性,输出的电量形式并不相同,一般会将机械量的振动信号转化为电阻、电感等电参数的变化,而且要设置专有的测量路线以便针对不同的机电变化原理,将传感器的输出电量转化成为后续显示、记录、分析仪所接受的电信号形式。
2.2电荷放大器
  电荷放大器能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号,同时又能够将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出,并成功驱动后续电路。同时,在振动测量中,鉴于振动传感器在特性上呈现出的差异性,测量参数涉及位移、速度以及加速度,而且这些被测振动量的峰值、振动频率、周期和相位差等相关参数也应该包含其中,由此,为了使测量参数能够以最佳的方式获得,在振动传感器与信号分析仪之间需要设置电荷放大器以实现对位移、速度和加速度等不同电荷量信号的放大,并将其转化成电压或是电流信号。
2.3振动信号分析仪
  振动信号分析仪能够显示振动的测量参数“加速度,速度,位移值”,拥有强大的现场数据采集及分析功能,还可以精密诊断(如:不平衡,不对中,机械松动,轴承故障,齿轮箱故障)引起的振动过大,指出故障发生的位置及损坏程度,从而全面的掌握机器设备的运行状况及发展趋势。
3涡街流量计的工作原理
  本文所研究的涡街流量计是基于”卡门涡街“原理而发展而来的一种新型流量测量仪器,其利用流体振动原理实现流量的测量。涡街流量计是在流体的垂直流向上安装一根或是多跟非流线型旋涡发生体,在流体的流速达到特定比值时,会在阻流体的两侧各自释放分离出两串规则的旋转方向相反的旋涡,而且在一定的一定雷诺数范围内流体的振动频率与流速成相关性,运用振动检测技术检测旋涡分离频率就能够推算出流体的平均流速和流量,具体的工作原理如图2所示。
涡街流量计的工作原理
  当前,涡街流量计已经成为主要流量测量仪器之一,因其测量可靠性好,测量范围宽而被广泛应用于石油、化工、发电等领域,在对液体、气体、蒸汽的流量计量及检测和控制方面呈现良好的利用价值。然而,因为涡街流量计是利用振动测量技术实现流体测量的,其较易受到外界的干扰,影响了其测量精度;同时,由于涡街传感器传输的信号微弱,在噪声的影响下小流量测量受限。为了保证涡街流量计的测量精度,应充分地利用振动检测技术,并减小电荷放大电路的噪声,从而提高其应用性能。
4振动检测技术在涡街流量计中的应用
4.1涡街流量计流体振动检测
  涡街流量计采用的是上述振动测量技术实现流体检测的,对于涡街流量计的振动检测而言,其只需检测流体振动的特征参数,也即流体在具体应用管道中产生的旋涡频率即可实现振动测量获取振动测量信号。当前,涡街流量计中应用的振动检测方式可采用:压电式和电容式,压电式是通过交替旋涡导致的压力脉动使其检测元件压电晶体产生电脉冲来进行检测的,而电容式的检测元件是电容,其通过旋涡产生的压差促使电容量改变差值来实现振动测量,其中压电元件在响应速度,以及其不易受流体密度、粘度和温度的影响,具有良好的稳定性,由此得以在涡街流量计中广泛应用。涡街流量计流体振动检测具体如图3所示。
涡街流量计振动测量系统
  本文涡街流量计振动测量系统中的压电式传感器的输出的微弱电信号,同上述振动测量系统一样需要将电荷信号经过高输入阻抗的前置放大器的阻抗交换之后,才能够将借助于放大检波电路将传感器信号传输到显示仪表或实现远程传输,这一过程都是依据振动检测的相关原理和技术来完成的。
4.2涡街流量计传感器
  涡街流量计传感器采用压电传感器,该传感器测量效率高,可不用直接接触测量介质就能实现流体测量,通常运用压电元件的应力检测方法来进行振动频率的测量,具体操作过程是将有漩涡产生的交替变化的压力转化为压电传感器电荷信号,电荷信号的变化频率与旋涡脱落频率相同,经过电子线路处理后的交变电荷转化成旋涡频率,因旋涡频率与流体流量成正相关性,由此也就得到了流体流量。利用压电晶体元件进行旋涡分离频率的检测,在柱体后部两侧实现旋涡的交替分离,从而促使压力脉动的产生,经安装在主体候补尾流中顺的探头检测到交变力,并使得位于探头内部的压电晶体元件在交变力的压力作用下产生变电荷,交变电荷信号在被检测放大器处理或数字信号处理后,输出频率信号,或是转化成与流量成比例的4~20mA直流标准信号输出。
4.3涡街流量计放大电路
  涡街流量计中传感器所输出的电压信号,需要放大电路将其放大并对信号进行处理,利用振动测量技术的测量电路关键在于前置放大器的设置,其不仅能够将传感器的输出信号从高阻抗变为低阻抗,还能够将传感器微弱的电信号进行放大。前置放大电路可采用电压放大器或是用带电融反馈的电荷放大器,本文采用电荷放大器作为涡街流量计的转换装置,放大、滤波、整形后变成频率与流速成正比的脉冲信号,然后进行计数处理得到流量信号,以此来提高涡街流量计的抗干扰能力。
5结语
  机械振动是一种常见的现象,其直接影响着机器精密度和正常运转,而通过机械振动原理发展而来的振动测量技术则是工业控制和生产中的重要内容之一,尤其与涡街流量计中的振动检测原理存在众多相通处,为振动检测技术在涡街流量计中的应用提供了可能性,由此,本文针对涡街流量计中振动检测技术的应用研究具有重要的理论意义和使用价值,并能够推动涡街流量计的不断创新发展提供相关依据。
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