一種基于加速度測量的渦街探頭制造技術

本發明專利技術涉及一種基于三軸加速度傳感器的渦街探頭，由三部分結構組成，分別為頂部圓盤、中間柱體以及底部長方體，中間柱體以及底部長方體內部形成探頭腔體，頂部圓盤方便管道固定并設有一定位槽用以標定正方向，作為敏感元件的三軸加速度傳感器內嵌入底部長方體，渦街流量計探頭腔體和管路之間的連接方式為直接接觸的硬連接，且與發生體不接觸，敏感元件為三軸加速度傳感器能夠感受到渦街管路的振動變化，用以測量管道內部的渦街流場信息。

【技術實現步驟摘要】
一種基于加速度測量的渦街探頭
本專利技術涉及渦街流場測量領域，特別地，涉及一種基于加速度測量的渦街探頭。
技術介紹
工業領域中常用到渦街流量計測量流體的體積流量，渦街流量計是一種基于卡門渦街原理的速度式流量儀表，因其測量范圍寬、可靠性高、壓力損失小、對流體物性變化不敏感等特點而得到了廣泛的應用。一方面，卡門渦街源于流體振動，極易受振動噪聲的干擾而不穩定，而渦街流量計的安裝環境中不可避免地存在振動干擾，如渦街管路的固有頻率干擾或與管路相連的離心泵、壓縮機的周期性振動及閥門動作造成的壓力脈動干擾等。另一方面，從空間分布角度來看，傳統測量方式僅能獲取“一維”信號，該信號摻雜著不同的流場信息，如渦街信號、振動信號等，且該信號多為頻率，得到的信息有限，不利于后續的信號分析。目前，基于MEMS技術的加速度傳感器趨于小型化，給實現多學科交叉測量帶來了可能。由牛頓第二定律，加速度與物體所受合外力成正比。對加速度進行積分可得到速度信息，再積分可得到位移信息。另外，對加速度時域信號進行頻域分析即可得到頻率信號。
技術實現思路
本專利技術設計了一種基于MEMS三軸加速度傳感器的渦街探頭。該探頭結合集成的三軸加速度傳感器及渦街探頭，再通過設計合理的采集電路及渦街探頭結構，以使其實現渦街頻率準確測量及空間三維渦街流場信號測量的功能。技術方案如下：一種基于三軸加速度傳感器的渦街探頭，由三部分結構組成，分別為頂部圓盤、中間柱體以及底部長方體，中間柱體以及底部長方體內部形成探頭腔體，頂部圓盤方便管道固定并設有一定位槽用以標定正方向，作為敏感元件的三軸加速度傳感器內嵌入底部長方體，渦街流量計探頭腔體和管路之間的連接方式為直接接觸的硬連接，且與發生體不接觸，敏感元件為三軸加速度傳感器能夠感受到渦街管路的振動變化，用以測量管道內部的渦街流場信息。附圖說明圖1為本專利技術實施例設計的渦街探頭結構組成；圖2為本專利技術實施提供的探頭與管路連接示意圖；圖3為本專利技術實施例設計的P＝400kPa、Qg＝19.27m3/h的氣相流量(氣相流速為28.56m/s)工況下，(a)為未在管路上施加瞬態激勵的測量信號及頻域分析圖，(b)為橡膠錘錘擊Y方向的時、頻信號；圖4為本專利技術實施例提供的P＝300kPa,Ql＝25m3/h的工況下，兩相流場下的力的空間分布圖；附圖中：1-渦街流量計探頭腔體，2-管路，3-發生體，4-三軸加速度傳感器，5-穩壓模塊，6-中空結構。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將結合附圖以及實施例，對本專利技術進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。如圖1所示，探頭材質為鎂鋁合金，總的來說該探頭由三部分結構組成，分別為頂部圓盤、中間柱體以及底部長方體。整體上為渦街流量計探頭腔體1，主要包括中空結構6，頂部圓盤方便管道固定并設有一定位槽用以標定正方向，中間柱體結構可最大限度減小探頭對流場的影響，敏感元件內嵌入底部長方體，為增大渦街信號與底部長方體接觸的摩擦力，底部采用銑床加工。如圖2所示，渦街流量計探頭腔體1和管路2之間的連接方式為直接接觸的硬連接，且與發生體3不接觸，因而管路發生振動時能夠傳遞給整個渦街探頭腔體，敏感元件能夠感受到渦街管路的振動變化，因此能夠實現管路共振干擾測量。因而管路發生振動時能夠傳遞給整個的渦街探頭，檢測元件能夠感受到渦街管路的振動變化。使其作為敏感的檢測元件以測量管道內部的渦街流場信息。三軸加速度傳感器4具有三個軸向，穩壓模塊5包括芯片以及穩壓電路，用來確保穩壓供電，防止芯片被燒毀。嵌入探頭末端的傳感器在管道中能夠靈敏地感受到渦街沖擊探頭造成的機械形變，從而獲取流場加速度信息。一方面，依據渦街信號的唯一性及振動信號的多向性，渦街信號只對x軸敏感，而振動在多個軸向均有體現，通過對所獲取的時域加速度信號進行頻域分析即可有效獲得準確渦街信息。以下將利用上述探頭對渦街信號的三個軸向進行分析。通過三個軸的配合可有效識別各個軸向的頻率特征，其在一定程度上體現了加速度式渦街探頭的抗振性能。接下來，將通過對渦街管路施加瞬態激勵來進一步研究渦街探頭的抗振特性，測試實驗在P＝400kPa、Qg＝19.27m3/h的氣相流量(氣相流速為28.56m/s)下進行，如圖3(a)所示，為未在管路上施加瞬態激勵的測量信號及頻域分析，從信號來看，Z軸有效測得了渦街升力頻率，X軸有效測得了渦街阻力頻率，Y軸則同時反映了Z、X軸頻率信息及干擾頻率，同樣，受傳感器自身結構的限制，出現了5kHz及8kHz左右的干擾頻率。圖3(b)為利用橡膠錘在Y軸施加激勵的采集信號，其時域信號完整的再現了瞬態激勵信號的觸發、衰減過程，由于激勵方向為Y軸方向，因此其對振動也更加敏感，由于振動的傳遞性，另外兩個軸也會受到不同程度的振動干擾。從Y軸頻域來看，振動干擾多集中在1kHz低頻頻帶范圍內，且所激勵振動小于傳感器結構本身的干擾。除此之外，渦街探頭的幅值信息為具有物理意義的加速度，而加速度與力之間存在確定的線性關系，因此，此處以兩相測量為例，如圖4所示，為P＝300kPa,Ql＝25m3/h的工況下，兩相流場中力的空間分布。利用所測得的加速度時序信號反映氣液兩相流動中力的變化規律，由于霧狀流流動環境更加復雜，時序信號明顯變得不規則，同時反映了力變化的復雜性。可以看出加速度式渦街探頭在信號識別方面具有一定的優越性。由上述分析可知，所設計的加速度式渦街探頭的三個軸向均能測得頻率特征，通過三個軸的配合可有效識別升力頻率、阻力頻率及振動干擾頻率特性，達到了測得流場多維頻率信息的目的，并且該探頭具有穩定的抗振性能，這為提高渦街測量精度及穩定性奠定了堅實的基礎，也為原始的渦街信號測量分析提供新的思路。而且通過多個軸向測得的時域加速度信號，可有效構建渦街流場合力的空間分布等。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于三軸加速度傳感器的渦街探頭，由三部分結構組成，分別為頂部圓盤、中間柱體以及底部長方體，中間柱體以及底部長方體內部形成探頭腔體，頂部圓盤方便管道固定并設有一定位槽用以標定正方向，作為敏感元件的三軸加速度傳感器內嵌入底部長方體，渦街流量計探頭腔體和管路之間的連接方式為直接接觸的硬連接，且與發生體不接觸，敏感元件為三軸加速度傳感器能夠感受到渦街管路的振動變化，用以測量管道內部的渦街流場信息。/n

【技術特征摘要】
1.一種基于三軸加速度傳感器的渦街探頭，由三部分結構組成，分別為頂部圓盤、中間柱體以及底部長方體，中間柱體以及底部長方體內部形成探頭腔體，頂部圓盤方便管道固定并設有一定位槽用以標定正方向，作為敏感元件...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫宏軍，楊天宇，王偉，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12