【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(yīng)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(shè)計的整個過程當(dāng)中，王玉田教授給予了我悉心的關(guān)懷和精心的指導(dǎo)，才得以我的論文可以圓滿完成，在此向王玉田導(dǎo)師表示誠摯的感謝。王老師學(xué)識淵博，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，工作勤懇。在整個課題過程中王玉田老師無論在學(xué)習(xí)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(xué)研究精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并積極影響我以后的學(xué)習(xí)和生活。同時，我想感謝潘老師及其他的老師在畢業(yè)設(shè)計期間給予我的支持和幫助。感謝文獻(xiàn)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(shè)計與研究 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 10級檢測（1）班 學(xué)生姓名： 曹利宵 指導(dǎo)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(xué)技術(shù)的重要組成部分,它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)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(yīng)用的一大領(lǐng)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(jìn)行監(jiān)視與控制。對流體流量進(jìn)行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟(jì)運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。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(zhǔn)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(zhǔn)確度需滿足國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),這對流量測量提出了很高的要求。只有做到準(zhǔn)確測量,才能做到節(jié)能有數(shù),耗能有據(jù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(jìn)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(jìn)行處理,對排放量進(jìn)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(xué)試驗領(lǐng)域,種類繁多的流量計提供了大量的實驗數(shù)據(jù)。這一領(lǐng)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(fù)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(fù)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(dá)數(shù)萬立方米。而沙脈動流、多相流更增加了流量測量的復(fù)雜性。另一方面,這種復(fù)雜性和多樣性促進(jìn)了人們對流量測量儀表的應(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)。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(jìn)行了分析與研究,并做出了自己的一套測試裝置。重慶大學(xué)蒙建波等采用基于最小均方自適應(yīng)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(yīng)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(shè)計和安裝上的對策。同時認(rèn)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(xué)龔振起等將自適應(yīng)處理方法應(yīng)用于渦街流量計,采用線性預(yù)測譜估計法進(jìn)行頻譜分析,獲得希望的信號頻率。合肥工業(yè)大學(xué)自動化研究所從上個世紀(jì)90年代起,開展了流量計的研究,將數(shù)字信號處理方法應(yīng)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(yīng)濾波方法等。壓電式渦街流量計由于電檢測元件的響應(yīng)速度快、信號強(qiáng)、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(yán)重,國內(nèi)外科研工作者通過改進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器的電路設(shè)計及參數(shù)計算：(1) 渦街發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設(shè)計；(2) 分離式檢測元件的設(shè)計。信號檢測與處理系統(tǒng)的電路設(shè)計：(1) 設(shè)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(shè)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(dāng)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(dāng)外力撤去后,晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)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(yīng)。壓電傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。相反,當(dāng)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(yīng),或稱為電致仲縮現(xiàn)象。應(yīng)用具有壓電效應(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(bǔ)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(dāng)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(dá)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dá)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(shè)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(rèn)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(jìn)度1周 —— 4 周 收集查閱有關(guān)資料5周 —— 8 周 搞清設(shè)計原理提出設(shè)計方案9周 —— 11周 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 信號系統(tǒng)電路設(shè)計12周 —— 15周 完成論文初稿并進(jìn)行修改16周 —— 18周 撰寫論文準(zhǔn)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(xué),2008.[7] [J],自動化儀表,1998,15(1),89.[8]. 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