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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)與二次儀表的地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電流干擾。
渦街流量計(jì)地線(xiàn)電流干擾的解決措施是減小或去除了地線(xiàn)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(xiàn)與壓電晶體的地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)回路中接入電阻r，于是a、b兩點(diǎn)間的地線(xiàn)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(xiàn)上則被三端穩(wěn)壓器R阻擋，前置放大器地線(xiàn)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(xiàn)中只有很小的地線(xiàn)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(xiàn)電流的干擾至少可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢钥闯觯褂霉飧綦x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(xiàn)與壓電晶體的地線(xiàn)之間一定要很好連接，才能保持前置放大器地線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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。
