【正文】 研究[J].價值工程,2011(7):149150.[30] 劉金奎,[J].山東電力技術(shù),2010(4):6869.[31] 張辛, 的 HPI 接口技術(shù)應用的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(16):4850. 致謝 致謝在畢業(yè)設計的整個過程當中，王玉田教授給予了我悉心的關(guān)懷和精心的指導，才得以我的論文可以圓滿完成，在此向王玉田導師表示誠摯的感謝。王老師學識淵博，嚴謹治學，工作勤懇。在整個課題過程中王玉田老師無論在學習上還是生活上都給予了我無微不至的關(guān)懷。王老師一絲不茍的科學研究精神是我永遠學習的榜樣，并積極影響我以后的學習和生活。同時，我想感謝潘老師及其他的老師在畢業(yè)設計期間給予我的支持和幫助。感謝文獻資料的作者、譯者以及出版單位。最后，感謝所有參加評閱論文的老師。 附錄1 附錄1燕 山 大 學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱：基于壓電傳感器的渦街流量測量儀的設計與研究 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 10級檢測（1）班 學生姓名： 曹利宵 指導教師： 王玉田 完成日期： 2014年3月28 日 一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題依據(jù)和意義計量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛。流量計量是計量科學技術(shù)的重要組成部分,它與國民經(jīng)濟、國防建設、科學研究有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)過程是流量測量與儀表應用的一大領域,流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù),人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎。在能源計量中,使用了大量的流量計,例如石油工業(yè),從石油開采、儲運、煉制直到貿(mào)易銷售,任何一個環(huán)節(jié)都離不開流量計。在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在,天然氣的計量引起了人們的特別關(guān)注,因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中,需要數(shù)以百萬計的流量計,其中有些流量計涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大,對測量準確度和可靠性要求特別高。除此之外,在煤氣、成品油、液化石油氣、蒸汽、壓縮空氣、氧氣、氮氣、水的計量中,也要使用大量的流量計,其中很大一部分用于貿(mào)易結(jié)算,計量準確度需滿足國家的有關(guān)標準,這對流量測量提出了很高的要求。只有做到準確測量,才能做到節(jié)能有數(shù),耗能有據(jù)在環(huán)境保護領域,流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監(jiān)測。廢液和污水的排放,使地表水源和地下水源受到污染,人們必須對廢液和污水進行處理,對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。在科學試驗領域,種類繁多的流量計提供了大量的實驗數(shù)據(jù)。這一領域中使用的流量計特殊性更多,其中流體的高溫、高壓、高豁度以及變組分、脈動流和微小流量等都是經(jīng)常要面對的測量對象。流量測量是一門復雜、多樣的技術(shù)。人們對測量精確度的要求越來越高,而且測量對象復雜多樣。如流體種類有氣體、液體、混相流體,流體工況有從高溫到低溫的溫度范圍,從高壓到低壓的壓力范圍,既有低薪度的液體,也有豁度非常高的液體,而流量范圍更是懸殊,微小流量只有每小時數(shù)毫升,而大流量可能每秒就達數(shù)萬立方米。而沙脈動流、多相流更增加了流量測量的復雜性。另一方面,這種復雜性和多樣性促進了人們對流量測量儀表的應用研究。渦街流量傳感器是由殼體、旋渦發(fā)生體、探頭體連接桿和檢測放大器等部件構(gòu)成。常用的旋渦發(fā)生體形式是三角柱體,其試驗數(shù)據(jù)較全,性能比較穩(wěn)定,此外還有圓柱體、矩形柱體、T形柱體等形式。探頭體是旋渦頻率檢測部分,內(nèi)部埋設有檢測元件,常用的檢測元件有熱敏電阻、壓電晶體、熱絲和膜片等。探頭體的作用就是輸出與旋渦頻率相一致的交變電壓信號,此信號經(jīng)過放大、濾波及整形電路后成為我們的測量對象[5]。對于渦街傳感器的殼體、旋渦發(fā)生體和檢測放大器部分目前國內(nèi)外的實驗數(shù)據(jù)較全,研究比較全面,而且都己完成了國家標準的制定。但探頭體性能分析部分國內(nèi)外涉及的都比較少,查不到關(guān)于探頭體性能分析的相關(guān)文獻。而且到目前為止,國內(nèi)還沒有一種簡單有效的方法檢驗探頭體的質(zhì)量和特性,本文為解決這個問題進行了分析與研究,并做出了自己的一套測試裝置。重慶大學蒙建波等采用基于最小均方自適應算法建立流量信號的五階自回歸模型,計算其功率譜,從而確定主信號頻率。但是,由于在計算精度、實時性和小型化等與實用化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)方面缺乏研究,該方法還沒有應用于實際的流量測量中。重慶工業(yè)自動化儀表研究所和北京公用事業(yè)研究所分別針對工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、管道振動干擾和流場干擾,研究了渦街流量計在屏蔽、結(jié)構(gòu)設計和安裝上的對策。同時認為,在電路和信號處理方面可以采取措施有效地抑制振動噪聲。哈爾濱工業(yè)大學龔振起等將自適應處理方法應用于渦街流量計,采用線性預測譜估計法進行頻譜分析,獲得希望的信號頻率。合肥工業(yè)大學自動化研究所從上個世紀90年代起,開展了流量計的研究,將數(shù)字信號處理方法應用于渦街流量計中,并研制了以DSP為核心的處理系統(tǒng)。他們研究的主要數(shù)字信號處理方法有:基于FFT的經(jīng)典譜分析方法、基于Burg算法的現(xiàn)代譜估計方法)最大嫡譜法、小波分析方法、功率譜分析方法、自適應濾波方法等。壓電式渦街流量計由于電檢測元件的響應速度快、信號強、工藝性好、制造成本低等優(yōu)點,己經(jīng)成為了渦街流量的主要產(chǎn)品。典型的有日本的Yokogawa公司和美國Eastech公司的壓電渦街流量計。但是壓電檢測式渦街流量計受管道振動影響大,特別是在小流量時振動干擾的影響尤為嚴重,國內(nèi)外科研工作者通過改進壓電晶體的結(jié)構(gòu)或者通過信號處理電路提升了壓電式渦街流量計的抗干擾能力。, ,提出了一種新型的壓電式渦街檢測方式,即在壓電晶體外擱置一塊橡膠物質(zhì)起到緩充墊的作用來降低壓電晶體對外部振動干擾的敏感性。二 、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題論證流量測量的基本特性：(1) 掌握壓電傳感器的工作原理及應用；(2) 掌握卡門渦街原理；(3) 掌握流量與壓電傳感器輸出的感應電動勢以及渦街發(fā)生體的頻率的關(guān)系。渦街流量傳感器的機械結(jié)構(gòu)設計，傳感器的電路設計及參數(shù)計算：(1) 渦街發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設計；(2) 分離式檢測元件的設計。信號檢測與處理系統(tǒng)的電路設計：(1) 設計檢測渦街信號的硬件系統(tǒng)；(2) 根據(jù)渦街傳感器輸出信號的特點設計信號處理電路；(3) DSP芯片一TMS320LF2407A。(1) 流量測量的原理；(2) 傳感器電路的參數(shù)計算；(3) 渦街流量計輸出信號的信號處理電路。三、研究步驟、方法及措施1）壓電傳感器的原理：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷。當外力撤去后,晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)。當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電傳感器大多是利用正壓電效應制成的。相反,當在晶體的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形,電場去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應,或稱為電致仲縮現(xiàn)象。應用具有壓電效應的材料制作的檢測元件,稱為壓電元件。在檢測技術(shù)中,壓電元件是一種典型的力敏元件,應用它可以檢測壓力、加速度、振動等。 圖31 壓電元件等效電容 (31) 式中s為極板面積, 為壓電材料的相對介電常數(shù), 為真空介電常數(shù), 為壓電元件的厚度。壓電元件兩端輸出電壓為: (32)圖32 電壓源壓電傳感器可以等效為一個電壓源 和一只電容Ca的串聯(lián),只有在外電路負載無窮大,且內(nèi)部無漏電時,受力產(chǎn)生的電壓U才能長期保持不變；如果負載不是無窮大,則電路就要以時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。因此,必須在壓電傳感器上加交變力,電荷才能不斷得到補充,供給測量電路一定的電流,故壓電傳感器只適宜作動態(tài)測量。2)旋渦發(fā)生體的原理：渦街流量計是依據(jù)卡曼渦街而研制成的一類新型流量檢測儀表，其基本工作原理如圖33所示，在測量的管道中垂直地插入一個非流線型的阻流體，也稱為旋渦發(fā)生體。當管道內(nèi)的流體流過該旋渦發(fā)生體并在管道雷諾數(shù)達到一定條件時，發(fā)生體的兩側(cè)會交替地分離出規(guī)則穩(wěn)定的旋渦，稱為卡曼渦街。當旋渦發(fā)生體的左側(cè)或者右側(cè)產(chǎn)生一個旋渦后，在旋渦發(fā)生體上會產(chǎn)生一個升力，此時，安裝在旋渦發(fā)生體內(nèi)部的應力式壓電傳感器就可以將這個作用在旋渦發(fā)生體上的升力轉(zhuǎn)換為電荷信號。而電荷信號變化的頻率與旋渦的分離頻率是一致的。所以通過檢測壓電傳感器輸出信號的頻率，就能得到旋渦的分離頻率，從而實現(xiàn)流量的測量。而卡曼從也已經(jīng)從理論上證明了非對稱的旋渦列能保持穩(wěn)定的條件即當兩列旋渦之間的距離 h 與同列的兩個旋渦之間的距離 L 滿足關(guān)系 h/L=。此時，旋渦頻率 f 與旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速之間 U1的關(guān)系式可表達為： (33)式中 f ——旋渦的頻率，Hz；S——斯特勞哈爾數(shù)；U1——旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速，m/s；d ——旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，m；U ——被測介質(zhì)來流的平均速度，m/s；D——測量管道的內(nèi)徑，m；M——旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。圖33 卡曼渦街示意圖設測量管道內(nèi)流體的瞬時體積流量為 ，那么 (34)式中 Kv——渦街流量計的儀表系數(shù)——體積流量渦街流量計主要是通過測量旋渦的頻率 f來實現(xiàn)對流體的體積流量的測量。而式中的 Kv只與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸以及斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)是一個無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，由實驗可知，雷諾數(shù) Re 在 2104~7106的范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù) S 基本保持不變，此時可認為它是一個常數(shù)，流量計測量的精度也可以得到保證。該段雷諾數(shù)范圍也是儀表的正常工作范圍。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流體流量 和渦街頻率 f 成線性關(guān)系，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體和管道的幾何尺寸有關(guān)，只要測出 f 就能求得 。3)脈沖信號處理方案四、研究工作進度1周 —— 4 周 收集查閱有關(guān)資料5周 —— 8 周 搞清設計原理提出設計方案9周 —— 11周 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 信號系統(tǒng)電路設計12周 —— 15周 完成論文初稿并進行修改16周 —— 18周 撰寫論文準備答辯五、主要參考資料[1] Bently J P, Benson R A. Design Conditions for Optimal Dual Bluff Body VortexFlowmeters [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 1993, 4(4): 102225.[2] Blickey George J. Vortex Flowmeters Provide Higher Accuracy and Lower PressureDrops [J]. Control Engineering, 1995,42(12): 620713.[3] . Advances in our understanding of vortex dynamies in bluff bodywakes[J] Journal of Wind Engineering and Indusrtial Aerodynamies, 1997, 41,380.[4] . Vortex shedding of bluff bodies:areview [J]. Journal of Fluids andStructures, 1999,13,791811.[5] [J],中國儀器儀表,2001,(5), 2627.[6] [D],杭州,浙江大學,2008.[7] [J],自動化儀表,1998,15(1),89.[8]. 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