0引言
近年來，振動(dòng)測量技術(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，也因此成為了學(xué)者們爭相研究的熱點(diǎn)話題。振動(dòng)測量技術(shù)是運(yùn)用現(xiàn)代檢測手段實(shí)現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的檢測，測量其流體的振動(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)測量原理的流量測量儀表，其主要用來測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)系的原理來工作的。渦街流量計(jì)應(yīng)用過程中需要利用振動(dòng)檢測技術(shù)，將振動(dòng)量轉(zhuǎn)化為相對應(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)的測量精度。
1振動(dòng)測量內(nèi)容介紹
振動(dòng)測量技術(shù)是一種現(xiàn)代常用的流量測量方法之一，其依據(jù)振動(dòng)測量基本原理對機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行檢測，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，最后通過對該信號頻率的計(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)對機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的測量。
振動(dòng)測量可根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的類型，將儀器設(shè)備的振動(dòng)信號分為兩類: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)信號的采集，對流體的振動(dòng)頻率進(jìn)行測量，從而可以推算出流體的流量與速度。該基于振動(dòng)測量技術(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量。同時(shí)，渦街流量計(jì)對于振動(dòng)測量來說是檢測流體振動(dòng)的特征參數(shù)，在具體的測量過程中可采用的方法有三類:機(jī)械量法、光測法和電測法，本文所研究的渦街流量計(jì)中的振動(dòng)測量技術(shù)采用的是電測法，運(yùn)用振動(dòng)測量傳感器獲取機(jī)械振動(dòng)信號,并將其轉(zhuǎn)化成電信號，通過電荷放大器進(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)測量系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)上述內(nèi)容可知，本文振動(dòng)測量系統(tǒng)研究中采用的是電測法，這是振動(dòng)測量中常用方法，與光測法和機(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，測量靈敏度高等優(yōu)勢，而且電測法能夠適用于不同的測振傳感器，而信號也便于被記錄、處理和傳送。由此，本文中的振動(dòng)測量系統(tǒng)主要由:振動(dòng)傳感器、電荷放大器、信號分析儀等構(gòu)成，如圖1所示。
2．1振動(dòng)測量傳感器
振動(dòng)測量傳感器是獲取振動(dòng)信息的重要裝置，是振動(dòng)測量系統(tǒng)的核心部分，其種類很多，在具體的應(yīng)用測量中應(yīng)結(jié)合不同的測量方法和目的選用不同的傳感器，以保證測量效果。現(xiàn)代振動(dòng)測量傳感器完全改變了傳統(tǒng)的獨(dú)立機(jī)械測量裝置，已經(jīng)成為整個(gè)振動(dòng)測量系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，用來檢測位移、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)信號轉(zhuǎn)化為電阻、電感等電參數(shù)的變化，而且要設(shè)置專有的測量路線以便針對不同的機(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蹼姾尚盘栟D(zhuǎn)化為放大的電壓信號，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)測量中，鑒于振動(dòng)傳感器在特性上呈現(xiàn)出的差異性，測量參數(shù)涉及位移、速度以及加速度，而且這些被測振動(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，為了使測量參數(shù)能夠以最佳的方式獲得，在振動(dòng)傳感器與信號分析儀之間需要設(shè)置電荷放大器以實(shí)現(xiàn)對位移、速度和加速度等不同電荷量信號的放大，并將其轉(zhuǎn)化成電壓或是電流信號。
2．3振動(dòng)信號分析儀
振動(dòng)信號分析儀能夠顯示振動(dòng)的測量參數(shù)“加速度，速度，位移值”，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及分析功能，還可以正確診斷(如:不平衡，不對中，機(jī)械松動(dòng)，軸承故障，齒輪箱故障)引起的振動(dòng)過大，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。
3渦街流量計(jì)的工作原理
本文渦街流量計(jì)是基于”卡門渦街“原理而發(fā)展而來的一種流量測量儀器，其利用流體振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)流量的測量。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)檢測技術(shù)檢測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)成為主要流量測量儀器之一，因其測量可靠性好，測量范圍寬而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、發(fā)電等領(lǐng)域，在對液體、氣體、蒸汽的流量計(jì)量及檢測和控制方面呈現(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)測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體測量的，其較易受到外界的干擾，影響了其測量精度;同時(shí)，由于渦街傳感器傳輸?shù)男盘栁⑷�，在噪聲的影響下小流量測量受限。為了保證渦街流量計(jì)的測量精度，應(yīng)充分地利用振動(dòng)檢測技術(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
渦街流量計(jì)采用的是上述振動(dòng)測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體檢測的，對于渦街流量計(jì)的振動(dòng)檢測而言，其只需檢測流體振動(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)測量獲取振動(dòng)測量信號。當(dāng)前，渦街流量計(jì)中應(yīng)用的振動(dòng)檢測方式可采用:壓電式和電容式，壓電式是通過交替旋渦導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)使其檢測元件壓電晶體產(chǎn)生電脈沖來進(jìn)行檢測的，而電容式的檢測元件是電容，其通過旋渦產(chǎn)生的壓差促使電容量改變差值來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測量，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)檢測具體如圖3所示。
本文渦街流量計(jì)振動(dòng)測量系統(tǒng)中的壓電式傳感器的輸出的微弱電信號，同上述振動(dòng)測量系統(tǒng)一樣需要將電荷信號經(jīng)過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傳輸?shù)斤@示儀表或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，這一過程都是依據(jù)振動(dòng)檢測的相關(guān)原理和技術(shù)來完成的。
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，該傳感器測量效率高，可不用直接接觸測量介質(zhì)就能實(shí)現(xiàn)流體測量，通常運(yùn)用壓電元件的應(yīng)力檢測方法來進(jìn)行振動(dòng)頻率的測量，具體操作過程是將有漩渦產(chǎn)生的交替變化的壓力轉(zhuǎn)化為壓電傳感器電荷信號，電荷信號的變化頻率與旋渦脫落頻率相同，經(jīng)過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，在柱體后部兩側(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，交變電荷信號在被檢測放大器處理或數(shù)字信號處理后，輸出頻率信號，或是轉(zhuǎn)化成與流量成比例的4～20mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。
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，需要放大電路將其放大并對信號進(jìn)行處理，利用振動(dòng)測量技術(shù)的測量電路關(guān)鍵在于前置放大器的設(shè)置，其不僅能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘枏母咦杩棺優(yōu)榈妥杩�，還能夠?qū)鞲衅魑⑷醯碾娦盘栠M(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，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)處理得到流量信號，以此來提高渦街流量計(jì)的抗干擾能力。
5結(jié)語
機(jī)械振動(dòng)是一種常見的現(xiàn)象，其直接影響著機(jī)器精度和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而通過機(jī)械振動(dòng)原理發(fā)展而來的振動(dòng)測量技術(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)檢測原理存在眾多相通處，為振動(dòng)檢測技術(shù)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用提供了可能性，由此，本文針對渦街流量計(jì)中振動(dòng)檢測技術(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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