由于渦街流量計的原理相對簡單,結(jié)構(gòu)也不太復雜,因此得到了飛速的發(fā)展。但是渦街流量計發(fā)展起來的時間還不長,本身存在的一些問題仍然沒有得到很好的解決。其中非常大的一個缺陷就是渦街流量計對低流速流體不敏感,當流速低時渦街檢測不到流體的旋渦,這個缺陷的存在很大程度上限制了它的使用。工業(yè)中常用的渦街流量計檢測旋渦頻率的方法是,在發(fā)生體尾部放置一個壓電晶體,當有旋渦產(chǎn)生時會因為壓力的變化使壓電晶體產(chǎn)生電荷信號,然后通過電荷放大電路將電荷信號放大。因此電荷放大電路的優(yōu)劣直接影響渦街流量計的性能好壞。本文通過對電荷放大電路的理論分析并結(jié)合渦街流量計自身的特點對原有的電荷放大電路進行了改進,并在實驗中進行了驗證,得到了很好的實驗結(jié)果

1、電荷放大器的原理

壓電式渦街流量計的1作原理是3:當流體流過渦街發(fā)仕體的時候在流體中產(chǎn)生旋渦,旋渦產(chǎn)生向上的升力,檢測元件把受到的升力以應力形式作用在壓電晶體元件上轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號,經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號。電荷放大電路的核心是將壓電晶體上受力產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過電路圖利用基爾霍夫電流定律可以得出如下電流關(guān)系：

根據(jù)歐姆定律可以把式(1)寫成如下格式

式中:Rf為反饋電阻;Cf為反饋電容;V。為輸出電壓;Vi為輸入電壓;Es,為壓電晶體產(chǎn)生的等效電壓;Cs為信號源等效電容;Cg為電纜之間的分布電容將下面2個公式代入式(1):

Q=Es、·Cs

Vi= 1/K*Vo

式中:Q為壓電晶體所帶電荷量;K為運算放大器的增益。

式(1)變?yōu)?

因為K>>1,所以式(2)變?yōu)?

     ,則下限頻率為：

     ，可得到輸出的模擬值為：

從以上理論分析可以得出以下結(jié)論:當運放的開環(huán)增益足夠大,下限頻率足夠低時,輸出電壓正比與輸入電荷量,這就是電荷放大器的原理

2、改進的電荷放大電路

通過以上對電荷放大電路的原理研究并結(jié)合渦街流量計本身的一些特點,本文設(shè)計出了如圖2所示的電荷放大電路。本電路的主要特點是采用差動放大,而且為了增加本電路的電壓信號的幅值和避免由于接地而使低于地電位的有用信號丟失,在電路中引入了一個直流電平,有效地避免了信號在傳輸過程中被削波。如圖2所示,運放A2和電阻R3、R4組成了電壓跟隨電路,使輸出電平能很好地穩(wěn)定在某一值上,電阻R6和電容C1可以抑制電源引起的于擾

3、實驗研究

為了對改進后的渦街流量計電荷放大電路的性能進行測試,在氣體裝置上進行了實驗,并與改進前的渦街流量計的測量結(jié)果進行了比較。實驗結(jié)果顯示,改進后的渦街流量計在測量下限從改進前的2.3m3/h下降到18.5m3/h,ZUI低下限處的不確定度從0.28%下降到0.165%因此可以看出改進后的電荷放大電路使渦街流量計本身的性能得到了提高。

4、結(jié)論

本文通過對整個電荷放大電路的理論分析,利用所得出的理論結(jié)果并且兼顧到實際應用中的具體情況來獲取電路的各個參數(shù)值,設(shè)計出了應用于壓電式渦街流量計上性能優(yōu)良的電荷放大電路,并通過實驗驗證了改進的結(jié)果是令人滿意的