0 引言
　　 流(liu)量計 是指(zhi)示被測流量(liang)和在選(xuan)定時間間隔内(nei)流體(ti)總(zong)量的儀(yi)表。流量計的種(zhong)類類(lei)别非常多(duo)，利用的測(ce)量原理也各不(bu)相同(tong)，有力(li)學原(yuan)理、熱(re)學原(yuan)理、電(dian)學原(yuan)理及光學原理(li)等。當前(qian) , 在氣體(ti)及低粘(zhan)度(du)液體流量(liang)計選型中(zhong) , 由于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計有(you)悠久的曆(li)史背(bei)景，各(ge)種試(shi)驗數(shu)據齊(qi)全。結(jie)構簡單，無(wu)可動部件(jian)，标準(zhun)化程(cheng)度高，可不(bu)必進(jin)行實(shi)流标(biao)定等(deng)優點(dian)，被廣(guang)泛使(shi)用。
　　 孔(kong)闆流量計(ji) 屬于(yu)差壓(ya)式流量計，流體流過(guo)管體(ti)内(nei)的(de)節流(liu)裝置(zhi)，在(zai)節(jie)流裝(zhuang)置周圍(wei)産生收(shou)縮，利(li)用壓(ya)力差(cha)來測(ce)量流(liu)體流(liu)速。孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的節(jie)流(liu)裝(zhuang)置爲(wei)孔闆，即中(zhong)央開(kai)有圓孔的金屬(shu)闆，其結(jie)構(gou)如圖(tu) 1 所示。安(an)裝(zhuang)時将(jiang)孔闆(pan)垂(chui)直放置(zhi)在管(guan)道中，測取(qu)孔闆(pan)前(qian)後兩端(duan)的壓(ya)力差，用傳(chuan)感器(qi)把感知的(de)壓力(li)差轉(zhuan)換爲電壓(ya)量，然(ran)後與(yu)壓差(cha)計相(xiang)連，即(ji)構成(cheng)孔闆流量(liang)計。由于(yu)孔(kong)闆流量計是通過産(chan)生壓力(li)損(sun)失進行流(liu)量(liang)檢(jian)測，所(suo)以壓(ya)力損(sun)失較(jiao)大，通(tong)常高達 10 ～ 20kpa。由(you)于孔(kong)闆流量計的流(liu)量(liang)系(xi)數與(yu)雷諾系(xi)數(shu)有關(guan)，它的測(ce)量範圍(wei)比較窄，量(liang)程範(fan)圍一般爲 3:1 ～ 4:1，而且(qie)孔闆(pan)流量計在(zai)實際(ji)應用中，由(you)于安裝複雜，整(zheng)個壓(ya)力傳(chuan)遞路(lu)徑中易受到洩(xie)漏、冷(leng)凝(ning)壺及下(xia)遊導壓管位置(zhi)偏差、孔闆同心(xin)度、垂直度(du)等衆(zhong)多因(yin)素(su)的影響(xiang)，實際(ji)精度(du)難以(yi)确定。

　　因此(ci)，爲了(le)解決(jue)孔闆(pan)流量(liang)計在(zai)測量時(shi)存在的(de)諸多問(wen)題(ti)，渦街(jie)流量(liang)計(ji) 應運而(er)生。
1 渦街流量計(ji)的優(you)缺點
　　渦街(jie)流量計在(zai)諸多(duo)應用方面(mian)都優(you)于傳(chuan)統的(de)孔闆(pan)流量(liang)計(ji)。比如，孔(kong)闆流量計(ji) 1 個測量回(hui)路靜(jing)密封(feng)點爲(wei) 20 個(ge)左右。相(xiang)比而(er)言，渦街流(liu)量計(ji)的(de)靜(jing)密封(feng)點隻(zhi)有(you) 3 個，不容(rong)易洩(xie)漏(lou) ，它(ta)不受(shou)流體(ti)溫度、壓力(li)還有密度(du)等影(ying)響，流(liu)量(liang)系數長(zhang)期不變(bian)[1]。
　　但(dan)是渦(wo)街流(liu)量計(ji)在使(shi)用的時候(hou)，也存(cun)在一(yi)些問(wen)題。
1）由(you)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)的原始(shi)信号爲(wei)頻率(lü)信号，緻使(shi)渦街(jie)流(liu)量(liang)計實(shi)際爲一(yi)種數字(zi)式儀(yi)表(biao)。它隻要(yao)能正常工(gong)作，精(jing)度一定有保證(zheng)。但是(shi)一旦(dan)不能(neng)正常工作(zuo)，産生(sheng)的測(ce)量(liang)誤(wu)差将(jiang)非常大，甚(shen)至連(lian)流量(liang)的變化趨勢都(dou)不能指示(shi)，徹底不能工作(zuo)。
2）漩渦升(sheng)力與流(liu)量的平方呈正(zheng)比、與流體的密(mi)度呈(cheng)正比(bi)。因此(ci)，流量減小時，渦(wo)街信号(hao)以(yi) 2 階關(guan)系急(ji)劇減弱，而(er)氣體(ti)的(de)渦(wo)街信号遠(yuan)低于液體(ti)。在用于(yu)氣體流(liu)量檢測(ce)時(shi)，因低(di)密度(du)、低流(liu)速導(dao)緻渦(wo)街信(xin)号微(wei)弱，極易湮(yan)沒在(zai)幹擾(rao)之中，流量(liang)計無法正确識(shi)别出(chu)漩(xuan)渦，緻使(shi)測量失敗(bai)。
3）由于(yu)渦街(jie)流量計傳(chuan)感器必(bi)須(xu)敏感檢測(ce)小流(liu)量時(shi)微小(xiao)的渦街升力，直(zhi)接限(xian)制了(le)傳感(gan)器(qi)的(de)結構(gou)。針對(dui)以上一些(xie)問題，下面(mian)将做(zuo)部分(fen)探讨。
2 渦街(jie)流量計(ji)工(gong)作原理與(yu)結構
2.1 渦街(jie)流量計的(de)工作原理(li)
　　在日(ri)常生(sheng)活中(zhong)經常能看到渦街(jie)現象，比(bi)如風中(zhong)的(de)旗幟，由于(yu)旗(qi)杆(gan)産生(sheng)的渦街而(er)擺動(dong)，風越(yue)大，旗幟擺(bai)動越快－－擺(bai)動與(yu)風速(su)呈正(zheng)比。還(hai)有橋墩、煙(yan)囪、高樓的(de)設(she)計(ji)均需(xu)考慮(lü)渦街(jie)的破(po)壞力(li)。
　　渦(wo)街流量(liang)計就(jiu)是參(can)考日(ri)常生(sheng)活中渦街(jie)現象的(de)原(yuan)理，在(zai)管道中插(cha)入合(he)适大小和(he)形狀(zhuang)的柱(zhu)體（即渦街(jie)發生體）。當流體流過(guo)時(shi)，在渦街(jie)發生(sheng)體後(hou)兩側(ce)産生(sheng)交替排列(lie)的漩渦(wo)，這種漩(xuan)渦被稱爲卡門(men)漩渦。漩渦(wo)的頻率與流量呈正(zheng)比。可用下(xia)式表(biao)示：

式(shi)（1）中：f 爲漩渦(wo)的頻率(lü)；v 爲(wei)流過渦街(jie)發生體的(de)流體(ti)的(de)平均速度；d 爲渦街(jie)發生(sheng)體的流(liu)面(mian)寬度；St 爲斯(si)特(te)勞哈爾(er)數（Strouhal number），數(shu)值(zhi)的(de)範圍(wei)爲 0.14 ～ 0.27。測(ce)量時，一般(ban)假定 St=0.2。由此，通過測量(liang)漩渦的頻(pin)率就(jiu)可以(yi)計算(suan)出流(liu)過渦街發(fa)生體(ti)的(de)流(liu)體平均速(su)度 v，再由下(xia)式 ：

可以求(qiu)出流(liu)量 q。其中，A 爲流體(ti)流過(guo)渦(wo)街(jie)發生(sheng)體的截面積。
2.2 渦(wo)街流量計(ji)的結(jie)構
　　渦街(jie)流量計(ji)的基本結(jie)構爲(wei)傳感(gan)器和轉換(huan)器 2 大部分。傳感(gan)器包(bao)含渦街發(fa)生體、檢測(ce)元件(jian)等；轉換器包含(han)有放大電(dian)路、濾(lü)波整(zheng)形(xing)電路以(yi)及 D/A 轉(zhuan)換電(dian)路等；渦街發生體常(chang)見的(de)有圓(yuan)柱型(xing)、T 型柱(zhu)、四角柱和(he)三角柱。目前采(cai)用較(jiao)多，反(fan)饋最(zui)好的(de)是三(san)角柱(zhu)型的渦街(jie)發生(sheng)體。檢(jian)測元(yuan)件有壓電(dian)晶片、熱敏(min)電阻、超聲(sheng)波和(he)應變(bian)片差動電(dian)容等(deng)。轉(zhuan)換(huan)器部分基本(ben)都(dou)智能(neng)化了，把微(wei)處理器芯片(pian)都(dou)安裝(zhuang)其中(zhong)。渦(wo)街流量(liang)可直接在管道(dao)上安(an)裝、互換性(xing)強、體積小、長期(qi)運行精度高，可(ke)适用于大多數(shu)液體、蒸(zheng)汽(qi)和氣(qi)體的(de)測量(liang)。3 小流(liu)量、低流(liu)速(su)測量(liang)的限制(zhi)問(wen)題。
　　基(ji)于渦街(jie)流量計的原理(li)，流(liu)量信(xin)号的強(qiang)度(du)與流(liu)量的平方(fang)成正(zheng)比，即(ji)流(liu)速降低時，渦(wo)街(jie)信(xin)号将(jiang)以平(ping)方關(guan)系急(ji)劇下(xia)降。圖(tu) 2 顯示(shi)流量由零增大(da)時，渦(wo)街(jie)信号的(de)波形記錄(lu)。在相(xiang)同條(tiao)件之(zhi)下，1m/s 流(liu)速的氣(qi)體(ti)産生(sheng)的漩(xuan)渦力僅是(shi) 5m/s 流速時(shi)的 1/25。爲保(bao)證小流量的檢(jian)測，必須(xu)具(ju)備極高的(de)漩渦振動(dong)檢測靈敏(min)度，将(jiang)流量(liang)信号放大(da)千倍(bei)，由此(ci)導緻(zhi)渦街流(liu)量計對(dui)于蒸(zheng)汽管道的(de)振動(dong)極爲敏感(gan)，無流(liu)量(liang)時指示(shi)的實(shi)際爲振動(dong)幹擾(rao)信(xin)号(hao)，這是渦街(jie)流量計在(zai)實際應用(yong)中最(zui)大的(de)問題(ti)。

　　渦(wo)街流量(liang)計(ji)的檢測部件利用壓(ya)電晶片來(lai)檢測(ce)漩渦(wo)的頻率 f，由(you)此得到電(dian)壓信(xin)号。此(ci)電壓信号(hao)需要經過(guo)放大(da)電路(lu)和(he)觸發裝(zhuang)置，将(jiang)漩渦(wo)頻率最終變成儀器(qi)所能(neng)顯(xian)示(shi)的脈沖信(xin)号(hao)。此脈沖(chong)信号再(zai)次(ci)送入(ru)轉換(huan)儀表(biao)裝置(zhi)換算成可(ke)顯示(shi)的被(bei)測流量。其(qi)中，放(fang)大器(qi)的放大倍(bei)數 A 和觸發(fa)器的門(men)限(xian)電壓(ya)均可(ke)以進(jin)行調(diao)整。如(ru)圖 3 所(suo)示。

圖 3 中輸(shu)入信(xin)号電(dian)壓爲 E，噪聲(sheng)信号轉換(huan)到電壓輸(shu)入端(duan)爲 V, 門(men)限電壓(ya) U 通(tong)過放(fang)大器(qi)輸(shu)出爲 u, 放(fang)大器的放(fang)大倍(bei)數爲(wei) A。因(yin) u=AU，所以改(gai)變 A 或者 U 的(de)效果(guo)是相(xiang)同(tong)的[2]。
如圖(tu) 4 所示。要使(shi)得觸(chu)發器(qi)的(de)輸(shu)出信(xin)号爲有效信号，必須(xu)使得觸發(fa)器輸入的(de)有效信号 u 遠大(da)于噪(zao)聲信号。因(yin)此，渦(wo)街流量計正常(chang)工作(zuo)的必(bi)要條(tiao)件是(shi)：E > u > V。

　　當渦街(jie)流量(liang)計(ji)測(ce)量低(di)流速(su)、小(xiao)流量流(liu)體的(de)時候，依據(ju)上述分析(xi)必須(xu)提高信噪(zao)比，盡(jin)量提高(gao)輸入流(liu)量的有效信号(hao)，降低機械振動産生的幹擾信(xin)号的幅值(zhi)。因此(ci)，可以(yi)修正(zheng)阻流(liu)體的結(jie)構形狀(zhuang)，使傳感器能更(geng)好地接收(shou)漩渦(wo)的脈(mo)動頻(pin)率，這(zhe)樣可以大幅度(du)提高(gao)有效信号(hao)的幅(fu)值[3]。另(ling)一種(zhong)更實際有(you)效的(de)辦法是在(zai)漩渦發生(sheng)體(ti)的兩端(duan)分别(bie)安(an)裝 1 對對(dui)稱的(de)壓(ya)電(dian)晶體(ti)，采用差動(dong)式的壓電(dian)傳(chuan)感器感(gan)知信(xin)号，并(bing)利用(yong)差動(dong)放(fang)大(da)電路(lu)來放(fang)大信(xin)号，如(ru)圖 4 所(suo)示。由于電(dian)路中(zhong)機械振動(dong)産生(sheng)的(de)幹擾對(dui) 2 塊壓電晶(jing)體的(de)作用(yong)力是(shi)一緻(zhi)的，并且流(liu)體漩(xuan)渦在(zai)阻流體兩(liang)側是交(jiao)替産生(sheng)的，所(suo)以幹擾産(chan)生的(de)信号通過(guo)差動(dong)放(fang)大(da)後，機(ji)械振動信(xin)号因(yin)爲相(xiang)同(tong)而相互(hu)抵消(xiao)削(xue)減(jian)，而2 塊(kuai)壓電晶體(ti)相反(fan)的流量信号相(xiang)加後增強。于是(shi)，大大降低了機(ji)械振動信号的(de)幹擾。
4 大流(liu)量、高(gao)流速(su)測量的限(xian)制問題(ti)
　　通(tong)常認(ren)爲，管(guan)道(dao)裏的蒸(zheng)汽流速不(bu)會超(chao)過 60m/s，在選(xuan)擇(ze)流量(liang)計時(shi)，量程(cheng)達到(dao) 60m/s 就已(yi)足(zu)夠，而采(cai)用在(zai)線(xian)實(shi)時頻(pin)譜分(fen)析時(shi)發現(xian)：?80 及其以(yi)下的管(guan)線，經常出現高(gao)于 80m/s 的(de)高流速，其(qi)中有(you)近一半的(de)出現超過 100m/s 的高(gao)流速，更有(you)甚者(zhe)，流速(su)高達(da) 180m/s。一般的渦(wo)街流量計(ji)在流(liu)速(su)過(guo)高時(shi)，因劇(ju)烈(lie)的漏波(bo)現象，出(chu)現(xian)難以(yi)估算的誤差，所(suo)以也(ye)難(nan)于(yu)判斷超高流(liu)速的大(da)小。如圖(tu) 5 所示，漏(lou)波現象(xiang)使流量(liang)偏小 44.3%。針(zhen)對(dui)這一(yi)現象(xiang)，采用頻譜(pu)分析(xi)＋動态濾波，改善(shan)信号(hao)波動(dong)，消除“漏波(bo)”現象。

　　信号(hao)可(ke)以從時(shi)域分析，也可以(yi)從頻(pin)域分(fen)析。時(shi)域的信(xin)号(hao)圖像，是以(yi)時間軸爲(wei)橫軸(zhou)；頻域的信号圖像，是以頻(pin)率值作爲(wei)橫軸。信号(hao)的(de)時域分(fen)析主要側(ce)重于(yu)信号(hao)的(de)直(zhi)觀印(yin)象，例(li)如信号的(de)周期(qi)，信(xin)号(hao)在某(mou)一時間(jian)點(dian)的幅(fu)值等(deng)。信号(hao)的頻(pin)域分析，是(shi)采用(yong)傅裏(li)葉變換，将(jiang) X（t）變換(huan)成(cheng) X（f）[4]。具體的(de)變換方(fang)法在這(zhe)裏不再贅(zhui)述。信(xin)号的(de)頻譜圖表(biao)明了信号在不(bu)同頻(pin)率分量成(cheng)分的大(da)小(xiao)，比時域圖(tu)像(xiang)提供更(geng)具體更豐富的頻域(yu)圖像。在 PicoScope 示(shi)波器中，可(ke)以利(li)用其頻(pin)譜分析(xi)的功能來觀察(cha)信号的頻譜。
　　信(xin)号的濾波(bo)處理(li)通常(chang)是(shi)信(xin)号處(chu)理中常用(yong)的方(fang)法。信(xin)号的濾波(bo)主要(yao)是獲(huo)得自(zi)己想(xiang)要的(de)信号(hao)，并且(qie)過濾(lü)掉不(bu)符合(he)實驗(yan)要求(qiu)的信号。通(tong)常有低通(tong)、高(gao)通、帶通(tong)、帶阻(zu)這(zhe)幾種方(fang)式。實(shi)際應(ying)用中(zhong)，通常是設計濾波電(dian)路對電路(lu)進行濾(lü)波(bo)。在測(ce)試測(ce)量中(zhong)，往往(wang)需要的(de)是(shi)濾掉(diao)信号(hao)中的(de)雜波(bo)。盡可能排(pai)除影(ying)響因素(su)，通過對(dui)傳感器原始信(xin)号直(zhi)接進行實(shi)時頻譜(pu)分析，得(de)出超(chao)高(gao)流速時(shi)的流(liu)量值。如圖(tu) 6 所示(shi)。

5 結束語
　　由(you)于渦(wo)街流量計(ji)容易(yi)與(yu)數字電(dian)子設備(bei)配(pei)套使(shi)用，所以(yi)是(shi)一種(zhong)比較先進(jin)、理想(xiang)的測(ce)量(liang)儀(yi)器。漩(xuan)渦升(sheng)力與流量的平方呈正比(bi)、與流體(ti)的(de)密度呈正(zheng)比。因此，當(dang)小流(liu)量(liang)、低流速或大(da)流量、高流(liu)速的(de)時候，對渦(wo)街流量(liang)計提出(chu)了比(bi)較(jiao)高(gao)的要(yao)求。針(zhen)對這個問(wen)題，本(ben)文做(zuo)了相應的探讨。爲了(le)使渦街流量計盡可(ke)能測量低(di)流速、小流(liu)量，必(bi)須提(ti)高(gao)信噪比(bi)，采用差(cha)動(dong)壓電(dian)傳感(gan)器和差動(dong)放大電路，盡量(liang)提高(gao)有(you)效流量(liang)信号的幅(fu)值而(er)降低(di)機械(xie)振動(dong)幹擾(rao)信号(hao)的幅(fu)值。針(zhen)對高流速(su)、大流量(liang)産(chan)生漏(lou)波現(xian)象的問題(ti)，采用(yong)頻(pin)譜(pu)分析和動(dong)态(tai)濾(lü)波的(de)方法，盡量(liang)減少漏波現象。圖 7 爲(wei)未處理時(shi)流量計輸(shu)出的(de)傳感(gan)器信号和(he)放大器輸(shu)出信号。圖(tu) 7（a）上部(bu)爲傳(chuan)感器輸出(chu)的原(yuan)始信(xin)号，下(xia)部(bu)爲(wei)放大(da)器輸出(chu)信号；圖(tu) 7（b）爲展開的(de)視圖(tu)。圖 8 爲處理後流(liu)量計輸出(chu)的傳感器(qi)信号和放(fang)大器輸(shu)出(chu)信号。圖 8（a）上部爲傳感(gan)器輸出的(de)原始信号(hao)，下部爲放(fang)大器(qi)輸(shu)出信号(hao)；圖 8（b）爲(wei)展(zhan)開(kai)的視(shi)圖。

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