涡街流量计的抗干扰措施

引言

        在众多的流量检测解决方案中，涡街流量计由于测量精度高，压力损失小，安装方便，不受被测介质物理性质的影响，信号便于远传等特点，应用技术日趋完善，尤其在大管径和水、油等液体介质的流量测量方面应用更加广泛。

        涡街流量计是基于流体动力学中的卡门涡街原理制成的。在一定的雷诺数范围内，流体的流速或体积流量和旋涡频率成正比而与流体的物理性质（压力、温度、密度等）无关，即：

        Q=k f

        式中：Q为一体积流量；k为仪表常数；f 为旋涡频率。

        根据上述测量原理，涡街流量计的一个特点就是易受电磁和机械振动的干扰，由此造成在一些场合限制了涡街流量计的正常使用，这也是涡街流量计的工作条件。解决抗干扰问题是扩展量程下限、改进涡街流量计的有效途径。

        2 工作条件

       涡街流量计的阻流体以压电晶体检测旋涡频率，得压电信号经交流放大和触发器，将旋涡频率变成脉冲信号。脉冲信号送到二次仪表经换算后显示被测流量。其中，交流放大器的放大倍数K和触发器的门限电压可以调整，如图1所示。

        图1中信号电压为E、干扰信号折算到输入端为V、门限电压U折算到输入端为u、交流放大倍数为K。因u=UK，故调整K或者U的效果是相同的。为了使门限电压能阻止干扰信号以保证触发器能输出有效信号，必须使干扰信号V小于门限电压u，而有效信号电压E大于门限电压u，即涡街流量计的工作条件是：

        E > u > V

        干扰信号V的大小决定涡街流量计的量程下限。因此扩展涡街流量计的量程下限必须从降低干扰信号入手。调整交流放大倍数K只能对输出信号加强，而量程下限并不能得到扩展。

        3 抗干扰措施

        涡街流量计的干扰信号主要有电磁干扰和机械振动干扰两种，如何解决这两种抗干扰问题就成为改进涡街流量计的关键。涡街流量计通常采用金属外壳，外壳的屏蔽效应可以防止电场和射频干扰；对于磁场的干扰，可以在内部电路设计中通过优选非磁性元件、印刷电路板合理布线等办法解决，随着电子技术的发展和制造工艺的完善也不成问题。因此抗电磁干扰主要是抗地线电流干扰。

        涡街流量计的压电晶体装在阻流体结构上，压电晶体的一端接外壳，故信号前置放大器必然接地。涡街流量计的输出信号送到二次仪表，而信号放大所需的直流电源又由二次仪表提供。压电晶体的地线与二次仪表的地线之间极可能存在跨步电压形成电流。这个电流在信号放大器的地线中流过就会有压降，这个压降与有效信号迭加在一起，无法分离，就是地线电流干扰。

        地线电流干扰的解决措施是减小或消除了地线电流，zui*的办法是把二次仪表来的直流电源隔离。即将直流电源经变压器隔离后再整流成直流供给涡街流量计，使二次仪表的地线与压电晶体的地线之间无任何电气连接。同时有效测量信号经前置放大后变成脉冲信号，经脉冲变压器输出至二次仪表，根本上消除地线电流的影响，是一种极其有效的抗干扰措施。然而变压器隔离的办法成本相对较高，体积又大，制造工艺上不容易实现，大大降低了实用性。光隔离限流抗干扰措施，能有效减少地线电流的干扰。原理如图2所示。

        图中，a是压电晶体的接地点，b是二次仪表的接地点。在地线回路中接入电阻r，于是a、b两点间的地线电流被电阻r 限制，a、b两点间的电压降在电阻r 两端。电阻r 两端的电压降反映到电源正线上则被三端稳压器R阻挡，前置放大器地线回路的电阻比电阻r 小很多，由于电阻r 的分压作用，涡街流量计的前置放大器地线中只有很小的地线电流。压电晶体的有效信号经放大后，由光隔离器件隔离输出，采用这种办法地线电流的干扰至少可以降低一个数量级。可以看出，使用光隔离限流抗干扰时为了使电源电压有足够的余量以阻挡跨步电压，信号放大器的地线与压电晶体的地线之间必须很好连接，才能保证前置放大器地线回路电阻极小。同时直流电源电压的选择应符合下式：

        V₁- V₂- V_R = V₂ f

        式中：V₁为电源电压；V₂为放大器用的电压；V_R为三端稳压器的zui低电压； V₂ f 为电阻r 两端交流电压双峰值。

        机械振动对涡街流量计的干扰更为普遍，抗机械振动干扰的措施还要从涡街流量计的基本原理人手。涡街流量计的敏感元件即压电晶体，封装在阻流体或称旋涡发生体内，流体流经阻流体时，阻流体两侧交替产生旋涡，旋涡的脉动压力作用于压电晶体，使其产生与旋涡频率或测量流量对应的信号电压，经放大、触发等信号处理后转换成脉冲信号输出。同时，管道的机械振动也同样作用于压电晶体，使其产生对应于振动频率的信号，这个振动干扰信号与流量测量有效信号无法分开。只有当有效信号幅值超过干扰信号幅值时，才能由门限取出有效信号。机械振动干扰信号的zui大幅值就成为被测流量的信号幅值下限，即量程下限。

        为了使涡街流量计尽可能测量低流速、小流量，必须提高信噪比，即尽量提高有效流量信号的幅值而降低机械振动干扰信号的幅值。改进阻流体的结构形状，使传感器能更好地接收旋涡的脉动压力，可使有效信号幅值提高。但更有效的办法是在旋涡发生体的两侧封装对应的两块压电晶体，即采用差动压电传感器和差动放大电路（见图3）。由于机械振动对2块压电晶体的作用力是一致的，而流体旋涡在阻流体两侧是交替产生的，通过差动放大后，2块压电晶体相同的机械振动信号相互抵消削减，2块压电晶体相反的流量信号相加后增强。于是，大大降低了机械振动信号的干扰。

        4 结束语

        电磁干扰和机械振动干扰是涡街流量计的重要干扰因素，限制了量程下降，影响涡街流量计在低流速、小流量测量中的使用。通过在电路上设计采用光隔离限流抗干扰措施，可以有效解决地线电流的干扰，解决抗电磁干扰的主要问题；结构设计上采用双压电晶体的差动压电传感器和差动放大电路可消除机械振动的干扰。以上两种抗干扰措施共同采用的结果，可以将涡街流量计的量程下限扩展至原量程下限的1/2～1/3。

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