渦街流量計(jì)信號(hào)放大電路1渦街流量計(jì)簡(jiǎn)介11渦街流量計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要意義隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的方式也發(fā)生了天翻地覆的變化。其中，自動(dòng)化程度的不斷提高是現(xiàn)代化工業(yè)的重要特征之一。各種自動(dòng)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的、無(wú)可替代的作用。同時(shí)一個(gè)工廠自動(dòng)化程度的發(fā)展，以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的先進(jìn)程度，也成為衡量一個(gè)工礦企業(yè)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。而目前的各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，都需要及時(shí)的獲取對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種參數(shù)信息如（壓力、溫度、流量等）的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，而后再進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制。因此能夠?qū)Ω鞣N過(guò)程參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的各類(lèi)自動(dòng)檢測(cè)儀表就成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成其控制功能的關(guān)鍵。在各種被控生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量中，流量的測(cè)量是最重要組成部分之一，在制藥、食品、造酒、化工等產(chǎn)業(yè)中，為了節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高產(chǎn)品質(zhì)量，均需要對(duì)各種流體（如水、蒸汽、煤氣、天然氣、石油等）流量進(jìn)行精確、及時(shí)的測(cè)量和嚴(yán)格的控制，這樣就對(duì)各種流體流量的測(cè)量之精確性提出了越來(lái)越多和越來(lái)越高的要求。因此，高性能流量計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的地位及其重要性就變得極為突出。到目前為止,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中所使用的流量計(jì)測(cè)量方法和種類(lèi)繁多。其測(cè)量原理各不相同，可以分別應(yīng)用于各種不同工況下的流量測(cè)量。在這些流量計(jì)中，力學(xué)原理流量計(jì)是一類(lèi)最為常見(jiàn)，也是最為常用的一類(lèi)流量計(jì)。通常，力學(xué)原理流量計(jì)根據(jù)其具體測(cè)量原理的不同又可以分成以下三大類(lèi)差壓式流量計(jì)，容積式流量計(jì)，速度式流量計(jì)1。這三類(lèi)流量計(jì)中，速度式流量計(jì)是種類(lèi)最多、發(fā)展最為迅速的流量計(jì)。該種流量計(jì)首先通過(guò)某種方法測(cè)出流體的速度，而后根據(jù)流體流速、管道直徑與流量之間的換算關(guān)系得出被測(cè)流體的流量值，如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)都是較典型和較為常用速度式流量計(jì)1。在這幾型流量計(jì)之中，渦街流量計(jì)具有量程范圍寬（最大測(cè)量流量與最小測(cè)量流量值之比可以達(dá)到1001）、無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件、磨損小、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)，于此同時(shí)，渦街流量計(jì)的流量測(cè)量幾乎不受被測(cè)流體的組成、密度、粘度、壓力等因素的影響，因此其測(cè)量精度（，,其中為引用10LQMAXXMAXQQQ誤差，為刻度示值誤差，為量程，為精度等級(jí)）較高，可達(dá)到05或1級(jí)，現(xiàn)LQ在已經(jīng)成為流量測(cè)量?jī)x表中最為重要的組成部分之一，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的流量測(cè)量與控制中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用1。12渦街流量計(jì)的基本測(cè)量原理渦街流量傳感器利用卡門(mén)渦街原理來(lái)檢測(cè)蒸汽、氣體及低粘度的液體的流量。如圖21所示，渦街流量計(jì)的內(nèi)部，在與流體流向垂直的方向裝有一個(gè)迎流面為鈍體的柱體旋渦發(fā)生體，當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)的流體流過(guò)旋渦發(fā)生體時(shí)，在其后方兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列旋渦稱之為卡門(mén)渦街。漩渦產(chǎn)生的頻率可以使用壓電傳感器探頭進(jìn)行測(cè)量，壓電探頭固定在旋渦發(fā)生體后并相隔一定距離。當(dāng)方向交變的流體漩渦作用于探頭之上時(shí)，產(chǎn)生DV體體體體體體體圖21渦街流量計(jì)原理圖方向交變的的橫向應(yīng)力，在橫向應(yīng)力的作用下，探頭將會(huì)產(chǎn)生一定的形變量，進(jìn)而引起探頭所帶電荷發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生微弱電荷（電壓）信號(hào)，后繼信號(hào)處理電路通過(guò)對(duì)該微弱電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理即可得到被測(cè)流體介質(zhì)漩渦產(chǎn)生的頻率1。當(dāng)管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)（流體的雷諾數(shù)是判斷管道內(nèi)流體流動(dòng)是層流還是湍流的依據(jù)，其計(jì)ER算式為，其中D為流體管道直徑，為流體的流速，為流體的動(dòng)力粘度，EVV的單位為，一般認(rèn)為當(dāng)管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)小于2320時(shí)，為層流狀態(tài)1）在SM/2210710時(shí)，旋渦所產(chǎn)生的頻率與流體介質(zhì)的平均速度及旋渦發(fā)生體的迎46FV流面寬度D之間的關(guān)系為DVSRF（21）式中為斯特勞哈爾數(shù)，它是無(wú)量綱常數(shù)，當(dāng)210710時(shí)，它的值約為SRER46015022。通過(guò)壓電元件檢測(cè)出旋渦產(chǎn)生的頻率，就可計(jì)算出平均流速，而體FV積流量與流體速度的關(guān)系為VDDDDQ442ARCSIN222（22）其中為測(cè)量管道直徑，這樣就可以確定管道內(nèi)的瞬時(shí)體積流量。經(jīng)過(guò)科技人員的實(shí)驗(yàn)研究，瞬時(shí)體積流量與卡門(mén)漩渦頻率之間的關(guān)系可總結(jié)概括為，其中為KFQ儀表系數(shù)，其計(jì)算式為23442ARCSIN222DDDDDSRK此外儀表系數(shù)的值還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取，即2。K取定時(shí)間內(nèi)累積流量數(shù)取定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)脈沖總13渦街流量計(jì)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及亟待解決的問(wèn)題131渦街流量計(jì)產(chǎn)生及其發(fā)展早在1878年，著名流體力學(xué)專(zhuān)家斯特勞哈爾就通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了管道內(nèi)流體振動(dòng)頻率與流體流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行了利用這一原理對(duì)流體流量測(cè)量的初步嘗試，雖然未能制造出一型真正能夠測(cè)量流量的流量計(jì)，卻為渦街流量計(jì)的產(chǎn)生進(jìn)行了理論上的準(zhǔn)備。到了20世紀(jì)60年代末，人們開(kāi)始了真正意義上的早期型號(hào)渦街流量計(jì)的研制工作，但這一時(shí)期的渦街流量計(jì)在測(cè)量精度上較大問(wèn)題，因此只是在小范圍內(nèi)投入使用。然而進(jìn)入20世紀(jì)70、80年代后，渦街流量計(jì)由于其獨(dú)有的特點(diǎn)而受到普遍重視并得到了迅速發(fā)展，大量型號(hào)的渦街流量計(jì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并迅速的投放市場(chǎng)。我國(guó)是世界上較早引進(jìn)并生產(chǎn)渦街流量計(jì)的國(guó)家之一，早在20世紀(jì)80年代后期就從德國(guó)引入幾種型號(hào)的渦街流量計(jì)，隨后即開(kāi)始自行開(kāi)始了渦街流量計(jì)的研發(fā)工作，從而使我國(guó)的渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)和制造水平得到不斷提高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)約有3040家廠家能夠獨(dú)力研制并生產(chǎn)渦街流量計(jì)。生產(chǎn)的某些型號(hào)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。132渦街流量計(jì)存在的問(wèn)題以及前置放大電路的意義由于渦街流量計(jì)具有原理及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，程范圍寬，無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，壓力損失小，流量測(cè)量幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響，測(cè)量精度較高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此在最近幾年得到了飛速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于化工、食品、制藥、造酒等產(chǎn)業(yè)的液體、氣體和蒸汽的流量測(cè)量1。但在另外方面，渦街流量計(jì)的發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，其本身仍然有一些問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決。目前困擾著人們的主要是兩方面問(wèn)題一是由于渦街流量計(jì)的使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,流體的沖擊,管道的振動(dòng),以及周?chē)嬖诘碾姶艌?chǎng),都對(duì)流量的測(cè)量造成了極大的干擾，這一問(wèn)題目前只能通過(guò)高性能的信號(hào)放大電路進(jìn)行解決；二是雖然渦街流量計(jì)的測(cè)量量程寬，但在實(shí)際應(yīng)用中，其對(duì)小流量的反應(yīng)并不敏感，產(chǎn)生的壓電信號(hào)極弱，使得流量測(cè)量精確度下降和抗干擾能力均大幅下降3。為了提高小流量的測(cè)量精度，目前人們大多采用變徑管縮徑的方法提高測(cè)量處管道內(nèi)流體的流速，以使管道內(nèi)流體流速能夠達(dá)到使渦街流量計(jì)正常工作的范圍。但這種方法必須在變徑處與測(cè)量?jī)x表之間安裝大于15倍管徑長(zhǎng)度的直管段進(jìn)行整流，否則在變徑處所產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)流團(tuán)會(huì)增加流量計(jì)的測(cè)量干擾，但安裝過(guò)長(zhǎng)直管段的同時(shí)也將給流量計(jì)的安裝和使用造成極大的不便，因此第二方面問(wèn)題的解決最終也要依靠高性能的信號(hào)放大電路才能夠得以解決。14前置信號(hào)放大電路的主要功能及其要求141渦街流量計(jì)信號(hào)放大模塊的設(shè)計(jì)要求由于渦街流量計(jì)的測(cè)量原理可知，渦街流量計(jì)是根據(jù)檢測(cè)到的頻率值換算流體流量的流量檢測(cè)裝置。因此，對(duì)渦街探頭所輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量就成為渦街流量計(jì)信號(hào)放大電路的主要功能。此外，還要通過(guò)靜態(tài)水容積檢定實(shí)驗(yàn)對(duì)不同檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計(jì)要求儀表線性度誤差不超過(guò)1，重復(fù)性誤差不超過(guò)線性度誤差的1/31/2。142放大電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1）流體通過(guò)漩渦發(fā)生體后將會(huì)產(chǎn)生，卡門(mén)漩渦作用于探頭上的橫向應(yīng)力在壓電效應(yīng)的作用下會(huì)產(chǎn)生微弱的電荷（電壓）信號(hào)，對(duì)于這部份信號(hào)要通過(guò)電荷放大器對(duì)其進(jìn)行放大并輸出。2）用負(fù)反饋放大電路對(duì)電荷放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)一步放大并輸出。3）設(shè)置低通濾波器，對(duì)信號(hào)中的高頻干擾進(jìn)行衰減濾波。4）設(shè)置滯回比較器整形電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成規(guī)則的方波信號(hào)以便進(jìn)行頻率的測(cè)量。4）當(dāng)整體放大電路版設(shè)計(jì)完成之后，焊接電路，并利用宏業(yè)公司提供的靜態(tài)水容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)放大電路是否滿足設(shè)計(jì)要求以進(jìn)行進(jìn)一步的修改工作。2渦街流量計(jì)信號(hào)放大電路板設(shè)計(jì)21總體的設(shè)計(jì)流程圖設(shè)計(jì)流程如圖31所示，包括壓電傳感器、防爆保護(hù)電路、電荷放大電路、二級(jí)放大電路、低通濾波器、整形電路、電源變壓電路、基準(zhǔn)電壓電路的設(shè)計(jì)。22集成運(yùn)算放大器選型221集成運(yùn)算放大器選型的基本原則集成運(yùn)算放大器是構(gòu)成電子電路的核心元件，在集成運(yùn)算放大器的輸入與輸出端之間分別接入各種不同的反饋網(wǎng)絡(luò),就可以構(gòu)成各種能夠?qū)崿F(xiàn)不同用途的電路,如信號(hào)放壓電傳感器防爆保護(hù)電路低通濾波器整形電路頻率輸出電源變壓電路二級(jí)放大電路基準(zhǔn)電壓電路電荷放大電路圖31電路設(shè)計(jì)方框圖大電路、信號(hào)運(yùn)算電路、信號(hào)濾波電路、滯回比較器電路等，因此選用合適的集成運(yùn)算放大器就成為放大電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，集成運(yùn)算放大器種類(lèi)繁多，性能各異，可分別應(yīng)用于不同設(shè)計(jì)需要情況下的集成電路的設(shè)計(jì)，在沒(méi)有特殊設(shè)計(jì)要求的一般情況下，應(yīng)當(dāng)盡量選取通用型集成運(yùn)算放大器，這樣就可以盡最大可能降低成本，而且能夠保障充足的貨源供應(yīng)4。此外，當(dāng)某系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需使用到多個(gè)運(yùn)算放大器時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量選用多運(yùn)算放大器集成電路，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低工作量，易于設(shè)計(jì)電路的批量生產(chǎn)6。222集成運(yùn)算放大電路的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在一般情況下，在選用集成運(yùn)放時(shí)，人們通常以集成運(yùn)放的差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)、ODA壓擺率SR、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流可為主要參考指標(biāo)。其中差模增益的IOUIO表達(dá)式為NPOODUA（31）它的值通常很高，可達(dá)幾十萬(wàn)。為集成運(yùn)放在交變大幅值的信號(hào)作用下，輸出電壓SR值隨時(shí)間的變化率的最大值（），其單位為V/MS，這一指標(biāo)主要反映在幅MAXODTU值較大的交變信號(hào)作用下集成運(yùn)放工作的反應(yīng)速度，也就是說(shuō)，值越大，該運(yùn)算放SR大器的交流特性就越好，從另一方面來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)輸入交變信號(hào)隨時(shí)間變化率的最大絕對(duì)值小于該集成運(yùn)方的時(shí)，方可選用該集成運(yùn)放4，為輸入失調(diào)電壓，單位SRIOU是MV，為運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電流，其單位是，它們是使運(yùn)算放大器輸出電IONA壓或電流為零時(shí)在輸入端所加的補(bǔ)償電壓或電流，它們的值越小表明運(yùn)算放大器的對(duì)稱性越好，此外，（）還是衡量一個(gè)運(yùn)算放大器溫度漂移（在放大電路中，DTUIOI溫度的變化會(huì)引起半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化，因此即使將輸入端短路，用靈敏的直流表測(cè)量輸出端，也會(huì)有變化緩慢的輸出電壓，這種輸入電壓為零而輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，在前后級(jí)直接相連的放大電路中，前一級(jí)的漂移電壓會(huì)和有用信號(hào)一起被送到下一級(jí)，而且逐級(jí)放大，以至于有時(shí)在輸出端很難區(qū)分什么是有用信號(hào)、什么是漂移電壓，導(dǎo)致放大電路不能正常工作，故而溫漂越小，電路性能也就越好，通?？梢栽诜糯箅娐犯骷?jí)之間加裝電容以抑制溫漂，加裝電容后，這種緩慢變化的漂移電壓就將降落在電容之上，而不會(huì)傳遞到下一級(jí)電路進(jìn)一步放大）的主要指標(biāo)，其值越小，表明該運(yùn)算放大器的溫漂越小4。綜合說(shuō)來(lái)，可以認(rèn)為和IO的值越小，該運(yùn)算放大器的質(zhì)量就越好。除此之外，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)選擇用集成運(yùn)IOU算放大器時(shí)，還需要考慮集成運(yùn)算放大器正常工作供電電壓及使用功耗等因素6。222集成運(yùn)算放大器的電源供給方式目前在大多數(shù)電子電路中，集成運(yùn)算放大器均采用對(duì)稱雙電源供電方式進(jìn)行供電，這種供電方式即將正電源與負(fù)電源分別接于運(yùn)算放大器的VCC和VEE管腳上，而信號(hào)源則與運(yùn)算放大器的輸入引腳直接連接。223集成運(yùn)算放大器的調(diào)零對(duì)于任何型號(hào)的運(yùn)算放大器，均不可避免的會(huì)有輸入失調(diào)電壓及輸入失調(diào)電流的存在,因此當(dāng)由運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)為零時(shí),其輸出信號(hào)往往卻不等于零，這樣就給集成運(yùn)放的使用精度造成了極不利的影響，因此必須對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)零，某些集成運(yùn)算放大器有內(nèi)部調(diào)零設(shè)施,可以自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)零，當(dāng)集成運(yùn)算放大器沒(méi)用內(nèi)部調(diào)零設(shè)施時(shí),就要通過(guò)設(shè)置補(bǔ)償電流或補(bǔ)償電壓進(jìn)行外部調(diào)零4。224放大電路集成運(yùn)算放大器的選型TL064型低功耗運(yùn)算放大器，其工作電壓為5V直流電壓，消耗電流為50250MA，SR約為5070V/MS，輸入偏置電流約為200NA,輸入失調(diào)電壓約為為2MV，輸入失調(diào)電流約為20NA,科技工作者經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為T(mén)L064型（四路）低功耗運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)能夠滿足街渦流量計(jì)放大電路信號(hào)測(cè)量的要求。TL064引腳如圖32所示。11121314189765432101234OUTPUTS4INPUTS1INPUTS2INPUTS3INPUTS4OUTPUTS1OUTPUTS2OUTPUTS3VEEVCC圖32TL064運(yùn)算放大器引腳圖23電源電路的設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)信號(hào)放大電路中所使用的TL064型運(yùn)算放大器的正常工作電壓是5V的直流電壓，而我國(guó)目前的各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)流量計(jì)等各類(lèi)檢測(cè)儀表統(tǒng)一采用24V的直流電源進(jìn)行供電。因此不能直接將放大電路連接到現(xiàn)場(chǎng)電源對(duì)進(jìn)行供電，而是必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源電路將現(xiàn)場(chǎng)電源提供的24V直流電壓轉(zhuǎn)變成為5V的直流電壓，才能保障集成運(yùn)算放大器的正常工作。采用兩個(gè)三端正穩(wěn)壓器就能實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)變。231CW78L00系列三端正穩(wěn)壓器簡(jiǎn)介CW78L00系列是十分常用的三端固定正穩(wěn)壓器。其最大輸出電流為01A，（L即表示最大輸出電壓為01A，AM表示最大輸出電流為05A,無(wú)字母標(biāo)識(shí)的穩(wěn)壓器一般最大輸出電流為15A）且有內(nèi)部過(guò)流、過(guò)熱以及過(guò)載保護(hù)功能，使用安全可靠。其輸入電壓要求為7V以上的直流電壓，輸出端電壓為固定值，有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V（L后面的數(shù)字即表示穩(wěn)定輸出的電壓值）等檔次，其引腳圖如圖33所示，公共端一般于地極相連。圖33CW78L00系列三端正態(tài)穩(wěn)壓器的引腳圖232渦街放大電路板電源電路設(shè)計(jì)采用兩個(gè)CW78L00系列穩(wěn)壓器即完成穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)。首先用CW78L12型穩(wěn)壓器可以將24V的直流輸入電壓轉(zhuǎn)變成為12V的直流輸出電壓。而后用CW78L05型穩(wěn)壓器將CW78L12輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V的直流電壓，該5V電壓就可以作為T(mén)L064低功耗運(yùn)算放大器的工作電壓。電源電路設(shè)計(jì)電路圖如圖34所示，其中電容和13C是高頻濾波電容，和為低頻率波電解電容，當(dāng)穩(wěn)壓管的輸出端出現(xiàn)交流雜波10C2E3時(shí)，將通過(guò)濾波電容濾除。穩(wěn)壓二極管的作用是為了防止穩(wěn)壓管輸入端輸入信號(hào)Z消失時(shí),輸出端電容存儲(chǔ)的電荷回流對(duì)穩(wěn)壓器造成損壞。圖34電源電路設(shè)計(jì)圖24基準(zhǔn)電壓供電電路的設(shè)計(jì)為使運(yùn)算放大器能夠正常工作，還需要為其提供25V的直流基準(zhǔn)電壓。使用TLE2425C穩(wěn)壓管（穩(wěn)定輸出電壓為25V）即可以將78L12三態(tài)穩(wěn)壓管輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的25V直流輸出電壓，作為運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓。其設(shè)計(jì)電路圖如圖35所示。圖35基準(zhǔn)電壓電路25壓電式傳感器的基本原理渦街流量計(jì)的壓電式傳感器的壓電元件是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。某些物體，當(dāng)其受到外界對(duì)其施加的沿一定方向的壓縮力或拉伸力而產(chǎn)生形變時(shí)，該物體內(nèi)部就會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象并在其表面產(chǎn)生一定量的電荷，而當(dāng)外加作用力消失之后，物體表面又會(huì)恢復(fù)到無(wú)電荷狀態(tài)，這種能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)，而這種可以產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物體就被稱為壓電壓電材料。目前一般性測(cè)量中所用到的壓電式傳感器基本上均采用壓電陶瓷作為壓電材料。壓電陶瓷具有壓電常數(shù)大，靈敏度高，制作工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，而且可以人為的改變其參數(shù)值以滿足不同設(shè)計(jì)需要下的性能要求，因此在傳感器制作中得到了廣泛的應(yīng)用。渦街流量計(jì)探頭中的壓電傳感器以鋯鈦酸鉛壓電晶體（PZT）作為壓電材料。這種壓電陶瓷的介電常數(shù)較高，且具有耐高溫的特性（最高工作溫度可達(dá)250度），同時(shí)其各項(xiàng)參數(shù)隨溫度和時(shí)間等環(huán)境因素的變化較小，因此在壓電性能和溫度穩(wěn)定性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他壓電陶瓷，此外，在鋯鈦酸鉛材料中在添加一種或幾種的微量元素，就可以獲得各種不同性能的壓電陶瓷以滿足不同流體介質(zhì)以及不同溫度條件下流量測(cè)量的需要，正是由于鋯鈦酸鉛壓電晶體的以上突出特點(diǎn)，使其成為目前渦街流量計(jì)探頭制作中使用最為普遍的一種壓電材料5。26保護(hù)電路的設(shè)計(jì)只有將壓電傳感器與相應(yīng)的信號(hào)采集電路相連接，才能構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)量電路。一般情況下，傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱，但由于壓電傳感器輸出的電壓信號(hào)并不穩(wěn)定，為防止突然出現(xiàn)的過(guò)高電壓超出測(cè)量電路的承受能力而對(duì)測(cè)量電路造成損壞，應(yīng)當(dāng)設(shè)置本安型保護(hù)電路進(jìn)行測(cè)量電路的保護(hù)，本安型保護(hù)電路是通過(guò)保護(hù)電路將輸入到電路中的能量限制在安全范圍之內(nèi)，從而使設(shè)備達(dá)到本安型安全性能要求,保護(hù)電路的性能可靠與否，將直接影響到設(shè)備的安全運(yùn)行6。用穩(wěn)壓管構(gòu)成的作過(guò)壓保護(hù)電路是一種十分常見(jiàn)的過(guò)壓保護(hù)形式，其基本原理如圖36所示，將測(cè)量電路的輸入口S端和T端用穩(wěn)壓管連接，根據(jù)穩(wěn)壓管的伏安特性，當(dāng)傳感器輸出之電荷（電壓）信號(hào)過(guò)大而達(dá)到穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓之上時(shí)，會(huì)將S端及T端之間的穩(wěn)壓二極管擊穿，這樣就會(huì)將S端及T端之間的電壓值就會(huì)被限制在二極管的擊穿電壓，而測(cè)量電路的輸入電壓值也會(huì)被限制在二極管的擊穿電壓。這樣，穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓就成為電路的安全臨界電壓值，也就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量電路的保護(hù)7。在渦街流量計(jì)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)中，用兩個(gè)穩(wěn)定電壓為12V的穩(wěn)壓管將電路的輸入電壓限制24V。圖36防爆保護(hù)電路27電荷放大器設(shè)計(jì)由于壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)及其微弱，故不能直接將其輸出信號(hào)輸入到測(cè)量電路。因此通常將傳感器的輸出信號(hào)首先輸入到測(cè)量電路的前置電荷放大器中進(jìn)行初步放大為后級(jí)放大電路可以接受的電壓信號(hào)，然后才能輸送到后級(jí)電路中進(jìn)行進(jìn)一步的放大、慮波、整形等處理8。電荷放大器的基本原理如圖37所示，設(shè)基準(zhǔn)電壓為0V，為壓電傳CBAC、感器電纜電容，設(shè)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為。壓電傳感器的輸出信號(hào)為電荷信號(hào)，A但在其內(nèi)部及外部電容的作用下可轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)以作為運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)。在平衡狀態(tài)下，輸出電壓值與輸入電壓值的關(guān)系為，上的電荷量為IOUA，上的電荷量為，上的電荷量為，上的電荷量IAUCQBIBUCQCICCQF為，則壓電傳感器輸出的總電荷量為FIFIIFOIFA1，即，其中，同時(shí)，IFCBAA1IFCBAA1由于，因此可以得出輸出電壓與傳感器輸出之電荷量之間的關(guān)系為IOUFCBAOCACQ1（32）由于其中的值較大，造成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，故而相對(duì)于，AF1CBAFCA1可以省略8。綜上所述，可以得出CBACFFOCQAU1（33）以上為電荷放大器的一般性原理，在實(shí)際設(shè)計(jì)之中，采用如圖38所示實(shí)際電路完成壓電傳感器輸出之電荷信號(hào)的放大工作。其中C1及C2作用為阻止直流信號(hào)混合交流信號(hào)進(jìn)入放大器，同時(shí)采用可變電容構(gòu)成，其容值選擇的范圍為FC，這樣就可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)確定的容值來(lái)對(duì)輸出電壓值進(jìn)行10PFFC調(diào)整。經(jīng)過(guò)初步放大，壓電傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)就變成輸出端的帶有雜波的交變電壓信號(hào)。圖37電荷放大器原理圖28信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)當(dāng)壓電傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器的初步放大處理而轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)之后，就可以進(jìn)入電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路進(jìn)行進(jìn)一步的放大處理。在電子電路中，將輸出端的電壓或電流信號(hào)通過(guò)一定的電路結(jié)構(gòu)使其作用到輸入回路，并對(duì)其輸入端的電壓或電流信號(hào)產(chǎn)生影響，即稱為反饋，按各部分主要功能的不同，可以將反饋放大電路分為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大組成部分，其中基本放大電路的主要功能是進(jìn)行信號(hào)的放大，而反饋網(wǎng)絡(luò)的主要功能則是完成反饋信號(hào)向輸入回路的傳圖38電荷放大器輸，其中基本放大電路的輸入信號(hào)稱為凈輸入量，它不但與整個(gè)反饋放大電路的輸入信號(hào)有關(guān)，還會(huì)受到反饋信號(hào)的影響，當(dāng)反饋信號(hào)增大時(shí)，若放大電路凈輸入量也增大，則該反饋電路就稱為正反饋電路，與之相反，當(dāng)反饋信號(hào)增大時(shí)，若放大電路凈輸入量減小，則該反饋電路就稱為負(fù)反饋電路4。圖39所示為電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的基本原理圖，該電路以輸出電壓作為反饋信號(hào)，并將其通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)作用于輸入端，然后再將其與整體電路的輸入電壓信號(hào)進(jìn)行求差值的計(jì)算，所得值即作為集成運(yùn)算放大器的凈輸入電壓而被運(yùn)算放大器放大。該電路的反饋電壓信號(hào)為OFUR21（34）運(yùn)算放大器的凈輸入電壓為，一般認(rèn)為，由于集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)差FIDU模增益很大，因而相對(duì)于和，其凈輸入電壓可忽略不計(jì)，則ODAFDDU。因此，輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系可以表示為FDIUTEXTUOU1R1R2RLUF圖39電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路IFOURU1122（35）由此得，電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路中，放大倍數(shù)僅與和的取值相關(guān)，而12R與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)。LR在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，采用如圖310所示電路，電路中采用6位撥碼器構(gòu)成可調(diào)試電阻，撥碼器上共有16個(gè)檔位，其中1、4、2、8檔位分別對(duì)應(yīng)電阻R28、R27、R26、R25，3、5、9、6、12、10檔位分別對(duì)應(yīng)阻值R28R26、R28R27、R28R25、R26R27、R25R27、R26R25。這樣通過(guò)手動(dòng)選擇撥碼器的檔位，就可以得到不同的阻值，從而能夠根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境對(duì)儀表進(jìn)行調(diào)試，得到不同的靈敏度和放大倍數(shù)，以便更好的適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。該電路的等效電路圖如圖311所示，當(dāng)基準(zhǔn)電壓為25V時(shí)，輸入電壓及輸出電壓的關(guān)系為VRVUFOFI525246（36）進(jìn)而推出電路輸入與輸出信號(hào)關(guān)系為525246VURVUIFO（37）這樣，輸入信號(hào)通過(guò)負(fù)反饋放大電路之后就被電路放大，同時(shí)在輸入電壓一定的情況下，通過(guò)轉(zhuǎn)換撥碼器的檔位調(diào)節(jié)電阻的阻值就可以對(duì)負(fù)反饋放大電路的放大倍數(shù)在F385到278之間進(jìn)行調(diào)整。圖310放大電路圖311等效電路圖29低通濾波電路的設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的流量測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，流量計(jì)儀表的使用總會(huì)受到各種各樣干擾信號(hào)的影響。一般情況下，渦街流量計(jì)儀表信號(hào)放大電路正常接收的被放大信號(hào)為低頻信號(hào)（卡門(mén)渦街信號(hào)頻率一般不高于420HZ），而干擾信號(hào)均為高頻信號(hào)（一般不低于2988HZ）。為了抑制干擾信號(hào)對(duì)流量?jī)x表的影響，就必須信號(hào)中的高頻干擾成分進(jìn)行衰減濾波，這樣，在信號(hào)放大處理電路中就應(yīng)當(dāng)設(shè)置低通濾波器。在理想情況下，當(dāng)我們?yōu)槟碁V波電路設(shè)定截止頻率后，若頻率低于該截止頻率的信號(hào)可以通過(guò)該電路而PF高于該截止頻率的信號(hào)被衰減，這樣的濾波電路就被稱為截止頻率為的低通濾波器，PF此外，低于截止頻率的頻帶稱為通帶，而高于截止頻率的頻帶就稱為阻帶4。但在PF實(shí)際情況中，在濾波器的通帶和阻帶之間還存在著一條過(guò)渡帶，設(shè)輸出電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)之比為（又稱作放大倍數(shù)），頻率等于零時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比為FA（又稱作通帶放大倍數(shù)），使的頻率即為通帶截止頻率，從到UPA07UUPAPFPF使接近零的頻段就稱為過(guò)渡帶，使趨近于零的頻段就稱為阻帶，對(duì)于一個(gè)低通濾波電路而言，其過(guò)渡帶越窄，電路的選擇性愈好，低通濾波特性愈理想4。渦街流量計(jì)信號(hào)放大器中的濾波電路均采用有源設(shè)計(jì)，即濾波電路不僅由無(wú)源元件（電阻、電容、電感）組成，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)算放大器）組成，一般情況下，我們可以通過(guò)拉普拉斯變換法對(duì)有源濾波電路進(jìn)行分析，即將電壓與電流變換成象函數(shù)和，而電阻，電容，電感SUIRS/1SCZC，輸出量與輸入量之比稱為傳遞函數(shù)（傳遞函數(shù)分母中S的最SLZAIOU高指數(shù)稱為濾波器的階數(shù)，此外，若電路中RC環(huán)節(jié)愈多，則濾波器階數(shù)愈高，過(guò)渡帶將愈窄，同時(shí)濾波器的性能也就越好），在傳遞函數(shù)中，將S用進(jìn)行替換（為角J頻，），便可得到濾波電路的放大倍數(shù)，令，就可得到通帶放大倍數(shù)4。2F0低通濾波電路的基本原理電路如圖312所示，基準(zhǔn)電壓設(shè)為25V，采用二階設(shè)計(jì)。圖312低通濾波器原理圖根據(jù)電路，應(yīng)用虛短及虛斷原理列寫(xiě)方程如下，SCUO2130R932U（38）SCRI152937（39）U325（310）對(duì)方乘組進(jìn)行聯(lián)立求解，得到電路之傳遞函數(shù)為10971079279219752RSCRSCRSUIO（311）畫(huà)出該二階系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性圖，如圖313所示，其中，經(jīng)觀N21097C察可以發(fā)現(xiàn)，該電路可以對(duì)角頻大于的信號(hào)以40DB/DEC的斜率進(jìn)行衰21097CR減。根據(jù)可以得到該二階低通濾波器的截止頻率為。2FFF2121097CR圖313二階低通濾波器頻率特性圖在實(shí)際設(shè)計(jì)電路中，采用如圖314所示電路。電路中，采用可變電容，以21C和根據(jù)實(shí)際實(shí)用情況對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，其截止頻率可以在1000HZ到3600HZ之間調(diào)整。PF此外，令傳遞函數(shù)中S0后可以得到該電路的通帶放大倍數(shù)計(jì)算式為，代入相應(yīng)電阻值可得其通帶放大倍數(shù)約為295倍。971052RUIO此外，在濾波器的輸入及輸出端還要設(shè)置由兩個(gè)反向并聯(lián)硅制三極管（三極管的基極和集電極短路，這樣每個(gè)三極管的基極和發(fā)射極之間就相當(dāng)于一個(gè)二極管，且導(dǎo)通電壓約為07V）構(gòu)成的限幅電路，這是由渦街流量計(jì)的特性而決定的。在通過(guò)低通濾波器的干擾信號(hào)中，除了高頻噪聲干擾之外，還伴隨有低頻擺動(dòng)及信號(hào)衰落干擾。低頻擺動(dòng)干擾依附渦街信號(hào)而存在，其頻率為正常渦街信號(hào)頻率的1/51/10,對(duì)渦街信號(hào)有調(diào)幅的作用；而信號(hào)衰落干擾則會(huì)周期性的使流經(jīng)濾波器的渦街信號(hào)出現(xiàn)間歇終端。這兩種干擾信號(hào)均隨著被測(cè)管道內(nèi)流體介質(zhì)流速的升高而變得愈加顯著。當(dāng)被測(cè)流體流速較低時(shí)，正常信號(hào)主要受高頻噪聲的干擾，低通濾波器可以將這些干擾信號(hào)濾除，但當(dāng)流體介質(zhì)流速較高時(shí)，低頻擺動(dòng)及信號(hào)衰落干擾對(duì)正常信號(hào)影響較圖314低通濾波器大，而低通濾波器不僅無(wú)法將這些干擾濾除，反而會(huì)將這些影響放大加劇。此外，由于壓電元件所受作用力的大小與流體流速的平方成正比，而壓電元件產(chǎn)生的電荷量又與作用力大小成正比，這樣，電路中信號(hào)的幅值也就與流體流速的平方成正比。綜合各方面因素，從濾波器流出的信號(hào)波形往往會(huì)變成圖315所示。當(dāng)被衰落的幾個(gè)波的峰值小于后面滯回比較器的脈沖閾值時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的方波脈沖信號(hào)，即產(chǎn)生SU漏波現(xiàn)象，對(duì)測(cè)量精度造成極不利的影響。而設(shè)置限幅電路以后，當(dāng)濾波器的輸出信號(hào)增大到高過(guò)輸入信號(hào)07V或衰落到低于輸入信號(hào)07V時(shí)，三極管的基極與發(fā)射極之間導(dǎo)通，限幅電路就開(kāi)始對(duì)渦街信號(hào)雙向限幅，原來(lái)幅值較高的信號(hào)被限幅而幅值較低的信號(hào)得到繼續(xù)放大，這樣就使輸出波形得到極大改善，各波的峰值均在后面滯回比較器的脈沖閾值之上，也就不會(huì)再SU發(fā)生漏波的現(xiàn)象。圖315低頻擺動(dòng)及信號(hào)衰落210滯回比較器整形輸出電路的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)低通濾波器的處理,輸出信號(hào)將變?yōu)檩^平滑的正弦波信號(hào),接下來(lái),就需要使用滯回比較器器整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理,將渦街信號(hào)取出來(lái)，將沒(méi)有濾去的干擾信號(hào)去掉，適當(dāng)設(shè)置域值電壓，使之變成標(biāo)準(zhǔn)的方波脈沖信號(hào)，以便于后級(jí)工作模塊的信號(hào)處理，滯回比較器的基本電路原理如圖316所示10。在該電路圖中，為便于對(duì)基本原理進(jìn)行說(shuō)明，暫且設(shè)基準(zhǔn)電壓為0V，則輸出信號(hào)與反饋信號(hào)的關(guān)系為FOFRU134（313）由于滯回比較器電路采用正反饋工作方式，同時(shí)理想運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)A可以認(rèn)為是無(wú)窮大。這樣，極小的凈輸入信號(hào)就可以使其輸出電壓信號(hào)的值不斷累積增加，OU但由于運(yùn)算放大器中晶體管自身的特性，輸出電壓信號(hào)并不能無(wú)限制的增長(zhǎng)，而是O在達(dá)到一定值后不再增長(zhǎng)。根據(jù)電路圖，滯回比較器的輸入輸出特性如圖317所ZU示，其中閾值與輸出電壓值之間關(guān)系的表達(dá)式為SFSRU134Z（314）若從負(fù)無(wú)窮正向增大，則初始時(shí)刻輸出電壓為,當(dāng)時(shí)，運(yùn)算放大器IU1Z1SIU的凈輸入電壓信號(hào)的符號(hào)由負(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，輸出電壓由跳變?yōu)槿魪恼裏o(wú)窮反2ZI向減小，則初始時(shí)刻輸出電壓值為,當(dāng)時(shí)，運(yùn)算放大器的凈輸入電壓信號(hào)2ZU2SI的符號(hào)由正轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，輸出電壓由跳變?yōu)?。根?jù)滯回比較器的這一特性，只要1Z選用恰當(dāng)阻值的電阻，調(diào)配出合適的值，我們就可以利用滯回比較器完成由正弦波S圖316滯回比較器原理圖向脈沖方波的轉(zhuǎn)換。波形轉(zhuǎn)換如圖318所示11。在實(shí)際電路中，采用如圖319設(shè)計(jì)，其中電路的基準(zhǔn)電壓改為25V，同時(shí)R采F用可調(diào)設(shè)計(jì)，以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)的閾值與輸出電壓信號(hào)之間的關(guān)系表達(dá)式為FSRVU134Z52（315）經(jīng)過(guò)整形，信號(hào)就變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，之后就可以經(jīng)過(guò)三極管輸出電路進(jìn)行輸出。圖317滯回比較器輸入輸出特性圖318波形轉(zhuǎn)換圖圖319滯回比較器設(shè)計(jì)圖三極管輸出電路如圖320所示，其構(gòu)成的核心元件為NPN型硅質(zhì)三極管，其靜態(tài)工作點(diǎn)為。在輸出電路中，三極管交替工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)比較器VUBEQ70輸出低電平時(shí)，三極管且，工作在截止區(qū)，輸出信號(hào)為高電平。BEQUBEC當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，三極管且，工作在飽和區(qū)，輸出信號(hào)為BEQUBEC低電平。圖320三極管輸出電路圖321三極管飽和區(qū)及截止區(qū)工作圖3所需要元器件與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)31所需要元器件渦街放大電路板所需要元器件如表41所示表41渦街放大電路板所需要元器件渦街放大電路板所需要元器件1獨(dú)石電容精度102NPN三級(jí)管導(dǎo)通電壓07V3電解電容50V10UF溫度85度4RJ14金屬膜電阻器誤差功率025W55三端固定正穩(wěn)壓器CW78L05、CW78L126低功耗輸入運(yùn)算放大器（四路）TL064CN7三級(jí)管8050最大集存器電流05A功耗650MW8撥碼器8421碼制16位撥碼此外,渦街放大電路板在流體管道口徑不同時(shí)需要改變一些電容的容值來(lái)保持測(cè)量的精度，根據(jù)技術(shù)人員多年實(shí)驗(yàn)所積累的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料，液體測(cè)量時(shí)需要改變的電容如表32所示表42可變電容的取值（單位PF）流體管道口徑（MM）C7C8C3202232223912522322239140474332391506844743918010568339110010582268115010522468120010515368125033322468130033333368132波形的檢驗(yàn)放大電路焊接完成之后,為測(cè)試其性能,應(yīng)當(dāng)首先對(duì)其進(jìn)行勵(lì)波檢驗(yàn)，以驗(yàn)證其是否能夠完成對(duì)信號(hào)的各級(jí)處理任務(wù)。用24V電源對(duì)其供電，將其信號(hào)接收端與渦街流量計(jì)表體信號(hào)輸出端連接，表體安裝在80MM口徑測(cè)量管道上，管道內(nèi)以流速為45M/S的水作為被測(cè)介質(zhì),渦街發(fā)生體產(chǎn)生漩渦的頻率約為50HZ。電路啟動(dòng)之后，用示波器對(duì)各級(jí)波形進(jìn)行觀測(cè)，波形記錄如下1）原始信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器之后，轉(zhuǎn)化為以25V為基準(zhǔn)電壓，振幅為20MV的帶有雜波的交變信號(hào)，如圖41所示。圖41經(jīng)電荷放大器輸出的信號(hào)波形2）信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大之后，轉(zhuǎn)化為以25V為基準(zhǔn)電壓，振幅為40MV的帶有雜波的交變信號(hào)，如圖42所示。圖42經(jīng)放大電路輸出的波形3）經(jīng)過(guò)低通濾波，高頻干擾信號(hào)被濾除，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為以25V為基準(zhǔn)電壓，振幅為180MV的較為光滑的交變信號(hào)，如圖43所示。圖43經(jīng)濾波器輸出的波形4）經(jīng)過(guò)滯回比較器，信號(hào)轉(zhuǎn)化為低電平為04V,高電平為42V的方波脈沖信號(hào)，如圖44所示。圖44經(jīng)滯回比較器輸出的波形5）最終經(jīng)過(guò)三極管輸出的信號(hào)為低電平07V,高電平為9V的方波脈沖信號(hào)，如圖45所示。圖45最終輸出的波形經(jīng)過(guò)勵(lì)波檢驗(yàn)，該信號(hào)放大電路基本能夠完成各級(jí)信號(hào)處理任務(wù)，可以用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行進(jìn)一步的校驗(yàn)。33實(shí)驗(yàn)檢測(cè)通過(guò)勵(lì)波檢驗(yàn)之后，放大電路還要安裝在渦街流量計(jì)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),以進(jìn)一步檢測(cè)該放大電路是否滿足性能要求。對(duì)流量計(jì)的校驗(yàn)一般使用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。331水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置簡(jiǎn)介水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置即用水作為校驗(yàn)介質(zhì)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，目前穩(wěn)定壓源的靜態(tài)校驗(yàn)法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為國(guó)內(nèi)外使用得最為廣泛的一種水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特點(diǎn)為精度高（一般可以達(dá)到0102或更高）、操作簡(jiǎn)便，這種裝置用水塔或穩(wěn)壓容器來(lái)獲取穩(wěn)定壓源，并且使用換向器切換流體流動(dòng)方向，通過(guò)測(cè)量某時(shí)間間隔內(nèi)流入計(jì)量容器的流體體積或質(zhì)量，由此得到流經(jīng)管道橫截面的標(biāo)準(zhǔn)體積流量（或質(zhì)量流量）的量值1。其原理圖如圖46所示。在使用標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，先用水泵對(duì)水塔進(jìn)行上水，在水塔內(nèi)裝有溢流槽，當(dāng)水塔內(nèi)液面上升到溢流槽高度時(shí)，沒(méi)過(guò)流溢槽的水就會(huì)從流溢槽溢出并經(jīng)由溢流管流回水池1。這樣就可以將實(shí)驗(yàn)管道中流體的總壓力維持在某一恒定值，從而獲得穩(wěn)定流動(dòng)的流體，水塔中頁(yè)面的高度H就定義為壓頭。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，要先將調(diào)節(jié)閥調(diào)整到所需的流量，而后把換向器調(diào)到所使用的標(biāo)準(zhǔn)容器旁通的位置，使流體通過(guò)旁通管道流回水池1。待流體流動(dòng)完全穩(wěn)定后，再使用換向器將流體導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)容器，同時(shí)開(kāi)始記錄時(shí)間，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔之后，再一次使用調(diào)整換向器將流體導(dǎo)入旁通管，并停止計(jì)時(shí),設(shè)換向器兩次換向的時(shí)間間隔為，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容積計(jì)量器的流T體體積為，則流經(jīng)管道橫截面的平均瞬時(shí)體積流量標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式為1V（41）/VQT當(dāng)水溫在1525的規(guī)定溫度條件下時(shí)，不需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量器的讀數(shù)進(jìn)行修正，但當(dāng)水溫超出規(guī)定溫度范圍時(shí)，就需要對(duì)其體積讀數(shù)進(jìn)行修正，修正公式為1VV1T20T（42）其中V為在T時(shí)標(biāo)準(zhǔn)量具液體體積的讀數(shù)，V為修正后標(biāo)準(zhǔn)量具的體積，為量具T的體積膨脹系數(shù)，T為使用時(shí)量具中水的溫度1。此外，檢測(cè)管道中瞬時(shí)流量與壓頭H的關(guān)系為VQVGA2（43）則HQV2（44）因此，為保持檢測(cè)管道內(nèi)流體流量的穩(wěn)定，壓頭的波動(dòng)應(yīng)當(dāng)被穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，一般情況下，波動(dòng)不得大于002，否則將影響測(cè)量精度1。圖46水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置332渦街流量計(jì)的檢定實(shí)驗(yàn)及其操作方法1檢定條件1）環(huán)境溫度保持在545之內(nèi)，濕度為3595，大氣壓為86106KPA，同時(shí)不存在劇烈震動(dòng)干擾。2流量計(jì)水平安裝，流向標(biāo)志與流體流向一致，測(cè)量管線與管道軸線一致，同時(shí)還要保證流量計(jì)前后應(yīng)各有15倍管道口徑的直管段。3）流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度不大于被檢流量計(jì)最大允許相對(duì)誤差絕對(duì)值的1/24）要求流體充滿管道，并且保證水質(zhì)清潔，每升水雜質(zhì)含量不超過(guò)002ML。5流體溫度對(duì)測(cè)量精度有較大影響，在一次測(cè)量過(guò)程中，流體溫度變化應(yīng)不大05。一般情況下,應(yīng)當(dāng)從被檢流量計(jì)表體的測(cè)溫孔上對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量,如果表體上沒(méi)有測(cè)溫孔，應(yīng)當(dāng)將測(cè)溫點(diǎn)選取為流量計(jì)下游25D（管道直徑）處。此外，要求溫度測(cè)量最大相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于被檢流量計(jì)最大允許相對(duì)誤差絕對(duì)值的的1/5。6）一般情況下,應(yīng)當(dāng)從被檢流量計(jì)表體的取壓孔上對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量,如果表體上沒(méi)有取壓孔，應(yīng)當(dāng)將取壓點(diǎn)選取為流量計(jì)下游27D（管道直徑）處。此外，要求壓力測(cè)量最大相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于被檢流量計(jì)最大允許相對(duì)誤差絕對(duì)值的的1/5。同時(shí)要求管道內(nèi)壓力波動(dòng)幅度不應(yīng)大于05。2檢定項(xiàng)目1）線性度誤差2）重復(fù)性誤差3檢定實(shí)驗(yàn)的操作方法1）將流量計(jì)在70100的最大流量范圍內(nèi)運(yùn)行510分鐘，使溫度、壓力、流量均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2）取最大流量的1、07、05、025、01倍為檢定點(diǎn)，每一個(gè)檢定點(diǎn)處，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，同時(shí)停止裝置和流量計(jì)，記錄裝置及流量計(jì)運(yùn)行的時(shí)間，累積流體體積以及流量計(jì)脈沖總數(shù)。要求在每一個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行至少3次測(cè)量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。3）每次測(cè)量，儀表系數(shù)的計(jì)算為SIJIJQNK（45）其中為實(shí)驗(yàn)記錄的流量計(jì)脈沖總數(shù)。則在每一個(gè)檢定點(diǎn)處，儀表系數(shù)為IJNNJIJIK1（46）其中N為每一個(gè)檢定點(diǎn)處重復(fù)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。則流量計(jì)的儀表系數(shù)為2MINAXIK（47）4）每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性誤差計(jì)算公式為1K2INENJIJII（48）取流量計(jì)所有檢定點(diǎn)中重復(fù)性誤差最大值做為流量計(jì)的重復(fù)性誤差。即EEIMAX5）線性度誤差的計(jì)算公式為10MINAXILK（49）333渦街放大電路板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理該信號(hào)放大電路可以安裝在口徑20MM300MM的渦街流量計(jì)上使用，并對(duì)058M/H（管道口徑為20MM，最低流速為05M/S）到12717M/H管道口徑為33300MM，最大流速為5M/S范圍內(nèi)的流量進(jìn)行測(cè)量。此處檢定實(shí)驗(yàn)所用管道口徑為80MM，水塔高度為36M，流體流速可在05M/S5M/S范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，被測(cè)介質(zhì)溫度控制在23左右，測(cè)量流量在9045M/H9045M/H范圍內(nèi)變化（一般情況下，33最大檢定使用流量為80M/H）。環(huán)境溫度為20，濕度為40，大氣壓為101KPA。數(shù)3據(jù)記錄如表33所示。通過(guò)表33的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本文所設(shè)計(jì)的電路板通過(guò)靜態(tài)水容積實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試，渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)線性度誤差不超過(guò)1，重復(fù)性誤差小于線性度誤差的1/2,所設(shè)計(jì)的電路板符合設(shè)計(jì)要求。表43渦街放大電路板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢定點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)間（秒）標(biāo)準(zhǔn)裝置累計(jì)流量（升）流量計(jì)脈沖總數(shù)儀表系數(shù)平均儀表系數(shù)重復(fù)性誤差526311411223448302125141116589735303027615094117522235603029530261014740211603453519303317501116683335353029907768115923935043022630285018108211564135233047111273115805835203039605111981156681351430381304160