摘要:采用壓電晶體傳感器利用卡門渦街原理，一種氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，分別對(duì)氣體流量測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分進(jìn)行了分析。并對(duì)壓電晶體產(chǎn)生的電荷信號(hào)進(jìn)行處理，分析和設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的電路。該流量計(jì)所用檢測(cè)壓電元件不接觸氣體，適于惡劣環(huán)境、不易結(jié)垢，耐高溫、高壓、安全防爆，適用于測(cè)量封閉管道的氣體累計(jì)流量和瞬時(shí)流量。
1氣體流量的測(cè)量方法
國(guó)內(nèi)儀表市場(chǎng)氣體流量計(jì)常見的主要是以下幾類：
（1）差壓式流量計(jì)
　　差壓式流量計(jì)是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)(如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴等)，在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。只要能把節(jié)流機(jī)構(gòu)前后的壓差p1-p2取出來，就可以測(cè)出流量。
（2）渦輪流量計(jì)
　　渦輪流量計(jì)是比較正確的一種流量檢測(cè)裝置。當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時(shí)，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，渦輪流量計(jì)的理論流量方程為

　　式中，nT為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性(密度、粘度等)，渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)(渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等)有關(guān)的參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；C為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。
（3）渦街流量計(jì)
　　渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高，維護(hù)量小，儀表參數(shù)能長(zhǎng)期穩(wěn)定。渦街流量計(jì)流量方程可用下式表示

　　式中，f為旋渦的釋放頻率；v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度；d為旋渦發(fā)生體特征寬度；St為斯特羅哈數(shù)，無量綱，它的數(shù)值范圍為0.14－0.27。
（4）超聲波流量計(jì)
　　超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)3部分組成。在有氣體流動(dòng)的管道中，超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時(shí)快。流過管道的氣體速度越快，超聲順流和逆流傳播的時(shí)間差越大。分為時(shí)差式(測(cè)量順流和逆流傳播的時(shí)間差)、相差式(測(cè)量順流和逆流傳播的相位差)、頻差式(測(cè)量順流和逆流傳播的循環(huán)頻率差)、多普勒超聲波流量計(jì)(以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為工作原理，適合于對(duì)兩相流的測(cè)量)。
（5）容積式流量計(jì)
　　容積式流量計(jì)又稱排量流量計(jì)(positivedisplace－mentflowmeter)，簡(jiǎn)稱PD流量計(jì)或PDF，在流量?jī)x表中是精度最高的一類。它利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)計(jì)量室逐次、重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測(cè)量流量體積總量。容積式流量計(jì)的理論流量計(jì)算公式

　　式中，q為工況下的體積流量，m3/s；n為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排流體的體積，m3/周。
　　采用渦街流量計(jì)測(cè)量高溫氣體的流量，下面通過分析氣體流量傳感器測(cè)量氣體的原理，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)部分，采用雙壓電晶體作為傳感技術(shù)，測(cè)量其頻率信號(hào)。
2渦街流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1工作原理
　　渦街流量計(jì)是利用流體力學(xué)中卡門渦街原理制作的一種儀表，如圖1所示。

　　把一個(gè)非線性對(duì)稱形狀的物體（如圓柱體、三角柱體、矩形柱體、六面柱體等，以下簡(jiǎn)稱漩渦發(fā)生體）垂直插在管道中，流體繞過漩渦發(fā)生體時(shí)，出現(xiàn)了附面層分離，在漩渦發(fā)生體左右兩側(cè)的后方會(huì)產(chǎn)生漩渦，形成渦列。
　　由于漩渦之間相互影響，漩渦列一般是不穩(wěn)定的，但卡門從理論上證明了當(dāng)兩漩渦列之間的距離h與同列的2個(gè)漩渦之間的距離L滿足公式h/L=0.281時(shí)，非對(duì)稱的漩渦列就能保持穩(wěn)定。此時(shí)漩渦的頻率f與流體的流速及漩渦發(fā)生體的寬度d有下述關(guān)系

式中
v1———柱體兩側(cè)處的流速(m/s)；
d———柱體迎流面最大寬度(m)；
Sr———無量綱數(shù)，在柱體形狀確定后，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù)，稱為斯特勞哈爾(Strouhal)數(shù)。
根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性，可知

式中
S1———柱體兩側(cè)流通面積(m2)；
S———管道整個(gè)流通面積(m2)；
v———管道內(nèi)流體的平均流速(m/s)。
設(shè)流通面積比為n（當(dāng)d/D<0.35時(shí)，可認(rèn)為n=1-1.25d/D），則

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　氣體流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器2部分組成，如圖2所示。

　　圖中傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件，它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān)，應(yīng)選用優(yōu)良的材料，并使之具有良好的機(jī)械性能和抗腐蝕性能。
　　氣體流量計(jì)采用壓電元件作為檢測(cè)元件。采用第一種檢測(cè)方式。檢測(cè)元件密封安裝在發(fā)生體內(nèi)部，不接觸被測(cè)氣體。
3壓電晶體測(cè)量原理
3.1壓電傳感器的結(jié)構(gòu)形式
　　在壓電傳感器中，常采用2片或2片以上的壓電材料組合一起使用的2種不同結(jié)構(gòu)形式。一是2片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，而正極分別在上下2面電極上的并聯(lián)連接形式。此時(shí)，輸出電容Ca'=nCa（n為并聯(lián)壓電材料片數(shù)，Ca為單片電容）；輸出電壓Ua'=nUa（Ua為單片的電壓）；輸出電荷Q'=nQ（Q為單片電荷）；二是各單片壓電元件正負(fù)極性順序相連接的串聯(lián)連接方式。此時(shí)，輸出電荷Q'=Q（Q為單片電荷）；輸出電壓U'a=nUa(Ua為各片的電壓)；輸出電容C'=Ca/n（Ca為單片電容）。顯然，并聯(lián)接法的輸出電荷量大，本身的電容也大。因此，其時(shí)間常數(shù)大（τ=CaR），適宜于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并且還適用于以電荷為輸出量的場(chǎng)合。
3.2壓電傳感器的測(cè)量電路
　　由于壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高、輸出電信號(hào)很弱，一般需將電信號(hào)經(jīng)高輸入阻抗的前置放大器放大再進(jìn)行傳輸、處理和測(cè)量。前置放大器的主要作用是將壓電信號(hào)經(jīng)過前置放大器的阻抗變換成低阻抗輸出，也起到放大弱信號(hào)的作用。壓電傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過前置放大器的阻抗變換和放大后，就可以采用一般的放大、檢波指示或通過功率放大至紀(jì)錄和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
　　按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，傳感器可堪稱電壓發(fā)生器，也可以看作是電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有2種形式：一種是電壓放大器，一般稱作阻抗變換器，其輸出電壓與輸入電壓成比例；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例。
4結(jié)語
　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)外幾種流量計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采取渦街流量計(jì)測(cè)量流量的原理測(cè)量高溫氣體的流量。針對(duì)壓電傳感器進(jìn)行分析，利用壓電晶體進(jìn)行測(cè)量的原理，并對(duì)其壓電傳感器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析。

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