0 引言
　　 流(liú)量計 是指(zhǐ)示(shì)被(bèi)測流(liú)量和在選(xuǎn)定時間(jiān)間(jiān)隔内(nèi)流體總量的儀(yí)表。流量計的種(zhǒng)類類别(bié)非常多(duō)，利用的測量原(yuán)理也各(gè)不相同(tóng)，有力學原(yuán)理、熱學原理(lǐ)、電(diàn)學原(yuán)理及(jí)光學原理(lǐ)等。當前 , 在(zài)氣體(tǐ)及低(dī)粘度(dù)液體流量(liàng)計選(xuǎn)型中(zhōng) , 由(yóu)于孔闆流量(liàng)計有悠(yōu)久的曆(lì)史背景，各(gè)種試(shì)驗數據齊全。結(jié)構簡單，無可動部件(jiàn)，标(biāo)準化程(chéng)度高，可不(bú)必(bì)進(jìn)行實流标定等(děng)優點(diǎn)，被廣泛使(shǐ)用。
　　 孔闆流量計 屬于差(chà)壓(yā)式流(liú)量計，流體流(liú)過(guò)管體(tǐ)内的節流(liú)裝置，在(zài)節流裝(zhuāng)置周(zhōu)圍産生收縮，利用(yòng)壓力差(chà)來測(cè)量流體(tǐ)流速。孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的節流裝(zhuāng)置爲孔闆(pǎn)，即(jí)中央開(kāi)有(yǒu)圓孔的(de)金屬(shǔ)闆，其結構如圖(tú) 1 所示。安裝時将(jiāng)孔闆(pǎn)垂直放置(zhì)在管道中，測取(qǔ)孔(kǒng)闆前後兩端(duān)的壓力差(chà)，用傳(chuán)感器(qì)把感知的(de)壓力差(chà)轉換爲(wèi)電壓(yā)量，然後與(yǔ)壓差計相連，即(jí)構成孔闆流(liú)量(liàng)計。由于孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)是通過産(chǎn)生壓(yā)力損失進(jìn)行流(liú)量檢測，所(suǒ)以壓(yā)力(lì)損(sǔn)失較(jiào)大，通常高達 10 ～ 20kpa。由(yóu)于孔闆流量計(jì)的流(liú)量系數與(yǔ)雷諾(nuò)系數(shù)有關(guān)，它的測量(liàng)範(fàn)圍比較窄，量(liàng)程範(fàn)圍一般爲 3:1 ～ 4:1，而且(qiě)孔闆流量(liàng)計在實際(jì)應用中，由(yóu)于安裝複(fú)雜，整個壓力傳(chuán)遞路(lù)徑中易(yì)受到洩漏、冷(lěng)凝壺及下(xià)遊導壓管(guǎn)位置(zhì)偏差、孔闆同心(xīn)度、垂(chuí)直度(dù)等衆多因素的影響(xiǎng)，實際(jì)精度(dù)難以确定(dìng)。

　　因此，爲了解決(jué)孔闆流量計在測量時存在的(de)諸多問題(tí)，渦街(jiē)流量計 應運而(ér)生。
1 渦街流(liú)量計(jì)的優缺點
　　渦街流量(liàng)計在(zài)諸多應用(yòng)方面都優(yōu)于傳統的孔闆流量計。比如，孔(kǒng)闆流量計 1 個測(cè)量回(huí)路靜密封(fēng)點爲(wèi) 20 個左(zuǒ)右。相比而(ér)言，渦街流(liú)量計(jì)的靜(jìng)密封(fēng)點隻(zhī)有(yǒu) 3 個，不容(róng)易洩漏 ，它(tā)不受流體溫度、壓力(lì)還有密度(dù)等影(yǐng)響，流(liú)量系數長(zhǎng)期不(bú)變(biàn)[1]。
　　但(dàn)是渦(wō)街流量計(jì)在使用的時候(hòu)，也存(cún)在一(yī)些問題(tí)。
1）由(yóu)于渦街流(liú)量計(jì)的原(yuán)始信号爲(wèi)頻率(lǜ)信号，緻使(shǐ)渦街(jiē)流量計實(shí)際爲一種數字式儀(yí)表(biǎo)。它隻要(yào)能正(zhèng)常工(gōng)作，精度一(yī)定有保證(zhèng)。但(dàn)是一(yī)旦不能(néng)正常(cháng)工(gōng)作，産(chǎn)生(shēng)的測(cè)量誤(wù)差将非常大(dà)，甚至連(lián)流量的變(biàn)化趨(qū)勢(shì)都(dōu)不能指示(shì)，徹底(dǐ)不能(néng)工(gōng)作(zuò)。
2）漩渦升力與流量的平(píng)方呈正(zhèng)比、與流(liú)體的密(mì)度呈正比。因此，流量(liàng)減小時，渦(wō)街信号(hào)以 2 階關系急劇減(jiǎn)弱，而(ér)氣體的渦(wō)街信号遠低于液體(tǐ)。在用于氣體流(liú)量檢測時，因低(dī)密度(dù)、低(dī)流速導緻渦(wō)街信号微(wēi)弱，極易湮沒在(zài)幹擾之中(zhōng)，流(liú)量(liàng)計無法正确識(shí)别出(chū)漩渦，緻使測量失敗。
3）由于(yú)渦街流量計傳(chuán)感器必須敏(mǐn)感檢測小流量時(shí)微小的渦街升(shēng)力，直(zhí)接限(xiàn)制了(le)傳感器的結構(gòu)。針對以(yǐ)上一些(xiē)問題，下(xià)面(miàn)将做(zuò)部分探(tàn)讨(tǎo)。
2 渦街(jiē)流量計(jì)工作原(yuán)理(lǐ)與(yǔ)結構
2.1 渦街(jiē)流量計(jì)的(de)工作(zuò)原理
　　在日常生(shēng)活中經(jīng)常(cháng)能看到渦街現象，比(bǐ)如風中的旗幟(zhì)，由于旗杆産生的渦街而(ér)擺動(dòng)，風越大(dà)，旗幟擺(bǎi)動越快(kuài)－－擺動與(yǔ)風速呈(chéng)正比。還(hái)有橋墩、煙(yān)囪、高樓的設計均需(xū)考慮渦(wō)街(jiē)的破(pò)壞力。
　　渦街流量(liàng)計就是參考日(rì)常生(shēng)活中渦(wō)街(jiē)現象的原(yuán)理，在(zài)管道(dào)中(zhōng)插入合(hé)适大(dà)小和形狀的(de)柱(zhù)體（即渦街(jiē)發生(shēng)體）。當流體流過(guò)時，在渦街(jiē)發生(shēng)體後(hòu)兩側産生(shēng)交替排列(liè)的漩(xuán)渦，這種漩(xuán)渦被稱爲卡門(mén)漩渦。漩渦的頻(pín)率與(yǔ)流量呈正(zhèng)比。可用下(xià)式表示：

式(shì)（1）中：f 爲漩渦(wō)的頻率；v 爲流過(guò)渦街發(fā)生體的(de)流體(tǐ)的平(píng)均速(sù)度；d 爲渦(wō)街發生(shēng)體的流面寬度(dù)；st 爲斯(sī)特勞哈(hā)爾(ěr)數（strouhal number），數值(zhí)的(de)範圍(wéi)爲 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 st=0.2。由此(cǐ)，通過(guò)測量漩(xuán)渦(wō)的頻(pín)率就可以計算出流過(guò)渦街發(fā)生體的流體平(píng)均速(sù)度 v，再由下(xià)式 ：

可以求出流量 q。其(qí)中(zhōng)，a 爲流體(tǐ)流過渦街(jiē)發生(shēng)體的截面積。
2.2 渦街流量計的結(jié)構(gòu)
　　渦街流量計(jì)的基本結(jié)構爲(wèi)傳感器和轉換器 2 大部分(fèn)。傳感器包含渦街發生體(tǐ)、檢(jiǎn)測元件(jiàn)等；轉換器包(bāo)含(hán)有放大電路、濾(lǜ)波整形電(diàn)路以及 d/a 轉換電路等(děng)；渦(wō)街發(fā)生體常(cháng)見的有圓柱型(xíng)、t 型柱、四角柱和(hé)三角柱。目(mù)前采(cǎi)用較(jiào)多，反饋最(zuì)好的是三(sān)角柱(zhù)型的(de)渦街(jiē)發(fā)生(shēng)體。檢測元件有壓電晶片、熱敏(mǐn)電阻、超聲波和(hé)應(yīng)變(biàn)片差(chà)動電(diàn)容等。轉(zhuǎn)換(huàn)器部(bù)分基本都(dōu)智能(néng)化了，把微處理器芯(xīn)片(piàn)都安裝(zhuāng)其中。渦街(jiē)流量(liàng)可直(zhí)接(jiē)在(zài)管道(dào)上安裝、互換性強、體積小(xiǎo)、長期運行精度(dù)高，可(kě)适用于(yú)大多數(shù)液體、蒸汽和氣(qì)體的測量。3 小流量、低流速(sù)測量(liàng)的限(xiàn)制問題。
　　基(jī)于渦街流量計(jì)的原理，流(liú)量信(xìn)号的強度(dù)與流量的平(píng)方成正(zhèng)比，即流速降低(dī)時(shí)，渦街信号将(jiāng)以平(píng)方(fāng)關系急劇下降。圖(tú) 2 顯示(shì)流量(liàng)由零(líng)增大時，渦(wō)街(jiē)信号的(de)波形記錄(lù)。在相(xiàng)同條件之下，1m/s 流(liú)速的氣體産生(shēng)的漩渦力僅是 5m/s 流速時的(de) 1/25。爲保(bǎo)證小(xiǎo)流(liú)量(liàng)的檢(jiǎn)測，必須具(jù)備極(jí)高的漩渦振動檢測(cè)靈(líng)敏度，将(jiāng)流量信号放大千倍，由此導緻(zhì)渦街流(liú)量(liàng)計(jì)對(duì)于蒸汽(qì)管(guǎn)道的(de)振動極(jí)爲敏感，無流(liú)量時指示的實際爲振動(dòng)幹擾信号(hào)，這是(shì)渦街(jiē)流(liú)量計在(zài)實際應(yīng)用中最(zuì)大的(de)問題。

　　渦(wō)街流(liú)量計(jì)的檢(jiǎn)測部件利用壓(yā)電晶片(piàn)來(lái)檢測(cè)漩渦的頻率 f，由(yóu)此得到電壓(yā)信(xìn)号。此(cǐ)電壓(yā)信号(hào)需要經(jīng)過放大(dà)電路和觸發裝(zhuāng)置，将漩(xuán)渦頻率(lǜ)最終(zhōng)變成(chéng)儀器(qì)所能顯示(shì)的脈(mò)沖信号。此(cǐ)脈沖信号(hào)再次送入(rù)轉換儀表裝置(zhì)換算成可(kě)顯示(shì)的被測流(liú)量。其(qí)中，放大(dà)器的放大倍(bèi)數 a 和觸發(fā)器(qì)的門(mén)限(xiàn)電壓(yā)均可(kě)以(yǐ)進行調整。如圖 3 所(suǒ)示。

圖 3 中輸入信(xìn)号(hào)電(diàn)壓爲 e，噪聲(shēng)信号(hào)轉(zhuǎn)換到電壓輸入端爲 v, 門(mén)限電壓(yā) u 通過放(fàng)大器(qì)輸(shū)出爲 u, 放大器的放大倍(bèi)數爲(wèi) a。因(yīn) u=au，所(suǒ)以改(gǎi)變 a 或者(zhě) u 的(de)效果(guǒ)是相同的(de)[2]。
如圖(tú) 4 所示(shì)。要(yào)使(shǐ)得觸(chù)發器的輸出信(xìn)号爲有效(xiào)信号，必須使得(dé)觸發(fā)器輸(shū)入的有效(xiào)信号(hào) u 遠大于噪聲(shēng)信号。因(yīn)此，渦(wō)街流量計正常工作的必(bì)要條(tiáo)件是：e > u > v。

　　當渦街流量計測量低(dī)流速、小流(liú)量流(liú)體的時候，依據(jù)上述分(fèn)析(xī)必須提高信噪比，盡量提高(gāo)輸(shū)入流(liú)量的(de)有效(xiào)信号(hào)，降低機械振動(dòng)産生的(de)幹擾信号的幅值。因此，可以修正阻流(liú)體的結構形狀(zhuàng)，使傳感器能更好地接收漩渦的脈(mò)動(dòng)頻率，這(zhè)樣可以大幅度提高有效信号(hào)的幅值(zhí)[3]。另一種更實際(jì)有效的(de)辦法是在漩渦發生(shēng)體的兩端(duān)分别安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感(gǎn)知信号，并利用(yòng)差動(dòng)放大電路(lù)來放大信号，如(rú)圖 4 所(suǒ)示。由(yóu)于電(diàn)路中機械振動(dòng)産(chǎn)生(shēng)的幹擾對(duì) 2 塊壓電(diàn)晶體的(de)作用力(lì)是一緻的，并(bìng)且流體漩渦在(zài)阻流(liú)體兩側是交替産生(shēng)的，所以幹擾産(chǎn)生的信号通過(guò)差動(dòng)放(fàng)大後，機(jī)械振(zhèn)動信号因(yīn)爲相同而(ér)相互(hù)抵消削減(jiǎn)，而2 塊(kuài)壓電晶體(tǐ)相反(fǎn)的流量(liàng)信(xìn)号相加後(hòu)增(zēng)強。于是(shì)，大大降低了機(jī)械振動信号的(de)幹擾。
4 大流(liú)量、高(gāo)流速測量(liàng)的限(xiàn)制問題
　　通常認(rèn)爲，管道裏的蒸(zhēng)汽流速不會超(chāo)過 60m/s，在(zài)選擇流量(liàng)計時(shí)，量程達到(dào) 60m/s 就已(yǐ)足夠，而采(cǎi)用在線(xiàn)實(shí)時頻譜分(fèn)析時發現(xiàn)：?80 及其以(yǐ)下(xià)的管線，經常(cháng)出現高(gāo)于 80m/s 的(de)高流速，其(qí)中有(yǒu)近一(yī)半的(de)出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速(sù)高(gāo)達(dá) 180m/s。一般的渦街流(liú)量計在流速過(guò)高時(shí)，因劇(jù)烈(liè)的漏波(bō)現象，出現(xiàn)難以(yǐ)估算(suàn)的(de)誤差，所(suǒ)以也難于判斷(duàn)超(chāo)高流速的大(dà)小。如圖 5 所示，漏波現象使流量(liàng)偏小 44.3%。針對這一現象(xiàng)，采用(yòng)頻譜分析＋動态濾波(bō)，改善(shàn)信号(hào)波動(dòng)，消除(chú)“漏(lòu)波”現象。

　　信号可(kě)以從時(shí)域分析(xī)，也可以(yǐ)從頻域分析。時(shí)域的信号圖像(xiàng)，是以(yǐ)時間(jiān)軸爲(wèi)橫軸(zhóu)；頻域(yù)的信号圖像，是(shì)以頻(pín)率值作(zuò)爲(wèi)橫軸(zhóu)。信号的(de)時域分析主要側重于(yú)信号(hào)的直觀印(yìn)象，例如信号的(de)周(zhōu)期(qī)，信号(hào)在某(mǒu)一時間點的幅值等。信号(hào)的頻域分析(xī)，是(shì)采用(yòng)傅裏葉變換，将(jiāng) x（t）變換成 x（f）[4]。具(jù)體的(de)變換方法(fǎ)在這(zhè)裏不再(zài)贅(zhuì)述。信号的頻譜圖表明了信号(hào)在不(bú)同頻率分量成(chéng)分的大小，比時(shí)域圖像提供更(gèng)具體更豐(fēng)富的(de)頻域(yù)圖像。在 picoscope 示(shì)波器中，可以利(lì)用其頻(pín)譜分(fèn)析的功能來(lái)觀察(chá)信号的(de)頻(pín)譜。
　　信(xìn)号的(de)濾波(bō)處理(lǐ)通常(cháng)是信号處(chù)理中常用(yòng)的(de)方(fāng)法。信(xìn)号的濾波主要是獲得自(zì)己想(xiǎng)要的信号(hào)，并且(qiě)過濾掉不符合實(shí)驗要求(qiú)的信号。通(tōng)常有低通、高(gāo)通、帶通(tōng)、帶阻這幾(jǐ)種方(fāng)式。實際應用中(zhōng)，通常是(shì)設(shè)計濾(lǜ)波電路對(duì)電路(lù)進行濾波。在測試測量中，往往(wǎng)需要的是(shì)濾掉信号中的(de)雜波(bō)。盡可能(néng)排除影(yǐng)響因(yīn)素(sù)，通過對(duì)傳感(gǎn)器原始信(xìn)号直(zhí)接進行實(shí)時頻譜(pǔ)分(fèn)析，得(dé)出超(chāo)高流速時(shí)的流量值(zhí)。如圖 6 所示。

5 結束語
　　由(yóu)于渦(wō)街(jiē)流量計(jì)容易與(yǔ)數字電(diàn)子設備配(pèi)套使用，所以是一種(zhǒng)比較先進、理想的測量儀器。漩(xuán)渦升力與流量(liàng)的平(píng)方(fāng)呈正比、與流體(tǐ)的(de)密度呈正比。因(yīn)此，當小(xiǎo)流量、低流速或大(dà)流量、高流(liú)速的時候(hòu)，對渦(wō)街流量計(jì)提出(chū)了比(bǐ)較高的要(yào)求。針(zhēn)對這個問(wèn)題，本文做(zuò)了相(xiàng)應的探讨。爲了使渦街流量計(jì)盡可(kě)能測(cè)量低(dī)流速(sù)、小流量，必(bì)須提高信噪比，采用差動壓電(diàn)傳感(gǎn)器和差動放大電路(lù)，盡量(liàng)提高(gāo)有效流量(liàng)信号的幅(fú)值而(ér)降低(dī)機械振動(dòng)幹擾信号(hào)的幅值。針(zhēn)對高流速(sù)、大流(liú)量産生漏(lòu)波現(xiàn)象的問題(tí)，采用頻譜分析(xī)和動态(tài)濾(lǜ)波的(de)方法，盡量減少漏波現象。圖 7 爲(wèi)未處理(lǐ)時流量計輸(shū)出的傳感器信号和(hé)放大(dà)器輸(shū)出信号。圖(tú) 7（a）上部爲傳(chuán)感器(qì)輸出的原始信(xìn)号，下(xià)部爲放大(dà)器輸出信号；圖(tú) 7（b）爲展開的視圖。圖 8 爲處理後流(liú)量計(jì)輸出(chū)的傳感器信号(hào)和放大器(qì)輸出信号。圖 8（a）上部爲傳感(gǎn)器輸出的原始(shǐ)信号(hào)，下(xià)部爲放(fàng)大器輸出(chū)信号；圖 8（b）爲展開(kāi)的視(shì)圖。

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