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1、工作條件
壓縮空氣流量計(jì)的阻流體以壓電晶體檢測(cè)旋渦頻率,所得壓電信號(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)器的門限電壓U可以調(diào)整,如圖1所示。

圖1中信號(hào)電壓為E、干擾信號(hào)折算到輸入端為V、門限電壓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。為了使門限電壓能阻止干擾信號(hào)以保證觸發(fā)器能輸出有效信號(hào),必須使干擾信號(hào)V小于門限電壓u,而有效信號(hào)電壓E大于門限電壓u,即壓縮空氣流量計(jì)的工作條件是:
E>u>V
干擾信號(hào)V的大小決定壓縮空氣流量計(jì)的量程下限。
因此擴(kuò)展壓縮空氣流量計(jì)的量程下限必須從降低干擾信號(hào)V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。
2、抗干擾措施
壓縮空氣流量計(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題就成為改進(jìn)壓縮空氣流量計(jì)的關(guān)鍵。
壓縮空氣流量計(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)中通過優(yōu)選非磁性元件、印刷電路板合理布線等辦法解決,隨著電子技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的完善也不成問題。因此抗電磁干擾主要是抗地線電流干擾。
壓縮空氣流量計(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)前置放大器必然接地。壓縮空氣流量計(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。壓電晶體的地線與二次儀表的地線之間極可能存在跨步電壓形成電流。這個(gè)電流在信號(hào)放大器的地線中流過就會(huì)有壓降,這個(gè)壓降與有效信號(hào)迭加在一起,無法分離,就是地線電流干擾。
地線電流干擾的解決措施是減小或消除了地線電流,zui*的辦法是把二次儀表來的直流電源隔離。即將直流電源經(jīng)變壓器隔離后再整流成直流供給壓縮空氣流量計(jì),使二次儀表的地線與壓電晶體的地線之間無任何電氣連接。同時(shí)有效測(cè)量信號(hào)經(jīng)前置放大后變成脈沖信號(hào),經(jīng)脈沖變壓器輸至二次儀表,根本上消除地線電流的影響,是一種極其有效的抗干擾措施。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,能有效減小地線電流的干擾。
原理如圖2所示。

圖中,a是壓電晶體的接地點(diǎn),b是二次儀表的接地點(diǎn)。在地線回路中接入電阻r,于是a、b兩點(diǎn)間的地線電流被電阻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上則被三端穩(wěn)壓器R阻擋,前置放大器地線回路的電阻比電阻r小很多,由于電阻r的分壓作用,壓縮空氣流量計(jì)的前置放大級(jí)器地線中只有很小的地線電流。壓電晶體的有效信號(hào)經(jīng)放大后,由光隔離器件隔離輸出,采用這種辦法地線電流的干擾至少可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
可以看出,使用光隔離限流抗干擾時(shí)為了使電源電壓有足夠的余量以阻擋跨步電壓,信號(hào)放大器的地線與壓電晶體的地線之間必須很好連接,才能保證前置放大器地線回路電阻極小。同時(shí)直流電源電壓的選擇應(yīng)符合下式:
V1-V2-VR≥V2f
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VR的zui低電壓;V2f為電阻r兩端交流電壓雙峰值。
機(jī)械振動(dòng)對(duì)壓縮空氣流量計(jì)的干擾更為普遍,抗機(jī)械振動(dòng)干擾的措施還要從壓縮空氣流量計(jì)的基本原理入手。
壓縮空氣流量計(jì)的敏感元件即壓電晶體,封裝在阻流體或稱旋渦發(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)量有效信號(hào)無法分開。只有當(dāng)有效信號(hào)幅值超過干擾信號(hào)幅值時(shí),才能由門限取出有效信號(hào)。機(jī)械振動(dòng)干擾信號(hào)的zui大幅值就成為被測(cè)流量的信號(hào)幅值下限,即量程下限。
為了使壓縮空氣流量計(jì)盡可能測(cè)量低流速、小流量,必須提高信噪比,即盡量提高有效流量信號(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,可使有效信號(hào)幅值提高。但更有效的辦法是在旋渦發(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(見圖3)。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。

電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)干擾是壓縮空氣流量計(jì)的重要干擾因素,限制了量程下降,影響壓縮空氣流量計(jì)在低流速、小流量測(cè)量中的使用。通過在電路上設(shè)計(jì)采用光隔離限流抗干擾措施,可以有效解決地線電流的干擾,解決抗電磁干擾的主要問題;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)放大電路可消除機(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,可以將壓縮空氣流量計(jì)的量程下限擴(kuò)展至原量程下限的1/2～1/3。

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