0 引言
　　 流量(liang)計 是指示(shi)被測流量(liang)和在選定(ding)時間間隔(ge)内流體總(zong)量的儀表(biao)。流量計的(de)種類類别(bie)非常多，利(li)用的測量(liang)原理也各(ge)不相同，有(you)力學原理(li)、熱學原理(li)、電學原理(li)及光學原(yuan)理等。當前(qian) , 在氣體及(ji)低粘度液(ye)體流量計(ji)選型中 , 由(you)于孔闆流(liu)量計有悠(you)久的曆史(shi)背景，各種(zhong)試驗數據(ju)齊全。結構(gou)簡單，無可(ke)動部件，标(biao)準化程度(du)高，可不必(bi)進行實流(liu)标定等優(you)點，被廣泛(fan)使用。
　　 孔闆(pan)流量計 屬(shu)于差壓式(shi)流量計，流(liu)體流過管(guan)體内的節(jie)流裝置，在(zai)節流裝置(zhi)周圍産生(sheng)收縮，利用(yong)壓力差來(lai)測量流體(ti)流速。孔闆(pan)流量計的(de)節流裝置(zhi)爲孔闆，即(ji)中央開有(you)圓孔的金(jin)屬闆，其結(jie)構如圖 1 所(suo)示。安裝時(shi)将孔闆垂(chui)直放置在(zai)管道中，測(ce)取孔闆前(qian)後兩端的(de)壓力差，用(yong)傳感器把(ba)感知的壓(ya)力差轉換(huan)爲電壓量(liang)，然後與壓(ya)差計相連(lian)，即構成孔(kong)闆流量計(ji)。由于孔闆(pan)流量計是(shi)通過産生(sheng)壓力損失(shi)進行流量(liang)檢測，所以(yi)壓力損失(shi)較大，通常(chang)高達 10 ～ 20kpa。由于(yu)孔闆流量(liang)計的流量(liang)系數與雷(lei)諾系數有(you)關，它的測(ce)量範圍比(bi)較窄，量程(cheng)範圍一般(ban)爲 3:1 ～ 4:1，而且孔(kong)闆流量計(ji)在實際應(ying)用中，由于(yu)安裝複雜(za)，整個壓力(li)傳遞路徑(jing)中易受到(dao)洩漏、冷凝(ning)壺及下遊(you)導壓管位(wei)置偏差、孔(kong)闆同心度(du)、垂直度等(deng)衆多因素(su)的影響，實(shi)際精度難(nan)以确定。

　　因此，爲(wei)了解決孔(kong)闆流量計(ji)在測量時(shi)存在的諸(zhu)多問題，渦(wo)街流量計(ji) 應運而生(sheng)。
1 渦街流量(liang)計的優缺(que)點
　　渦街流(liu)量計在諸(zhu)多應用方(fang)面都優于(yu)傳統的孔(kong)闆流量計(ji)。比如，孔闆(pan)流量計 1 個(ge)測量回路(lu)靜密封點(dian)爲 20 個左右(you)。相比而言(yan)，渦街流量(liang)計的靜密(mi)封點隻有(you) 3 個，不容易(yi)洩漏 ，它不(bu)受流體溫(wen)度、壓力還(hai)有密度等(deng)影響，流量(liang)系數長期(qi)不變[1]。
　　但是(shi)渦街流量(liang)計在使用(yong)的時候，也(ye)存在一些(xie)問題。
1）由于(yu)渦街流量(liang)計的原始(shi)信号爲頻(pin)率信号，緻(zhi)使渦街流(liu)量計實際(ji)爲一種數(shu)字式儀表(biao)。它隻要能(neng)正常工作(zuo)，精度一定(ding)有保證。但(dan)是一旦不(bu)能正常工(gong)作，産生的(de)測量誤差(cha)将非常大(da)，甚至連流(liu)量的變化(hua)趨勢都不(bu)能指示，徹(che)底不能工(gong)作。
2）漩渦升(sheng)力與流量(liang)的平方呈(cheng)正比、與流(liu)體的密度(du)呈正比。因(yin)此，流量減(jian)小時，渦街(jie)信号以 2 階(jie)關系急劇(ju)減弱，而氣(qi)體的渦街(jie)信号遠低(di)于液體。在(zai)用于氣體(ti)流量檢測(ce)時，因低密(mi)度、低流速(su)導緻渦街(jie)信号微弱(ruo)，極易湮沒(mei)在幹擾之(zhi)中，流量計(ji)無法正确(que)識别出漩(xuan)渦，緻使測(ce)量失敗。
3）由(you)于渦街流(liu)量計傳感(gan)器必須敏(min)感檢測小(xiao)流量時微(wei)小的渦街(jie)升力，直接(jie)限制了傳(chuan)感器的結(jie)構。針對以(yi)上一些問(wen)題，下面将(jiang)做部分探(tan)讨。
2 渦街流(liu)量計工作(zuo)原理與結(jie)構
2.1 渦街流(liu)量計的工(gong)作原理
　　在(zai)日常生活(huo)中經常能(neng)看到渦街(jie)現象，比如(ru)風中的旗(qi)幟，由于旗(qi)杆産生的(de)渦街而擺(bai)動，風越大(da)，旗幟擺動(dong)越快－－擺動(dong)與風速呈(cheng)正比。還有(you)橋墩、煙囪(cong)、高樓的設(she)計均需考(kao)慮渦街的(de)破壞力。
　　渦(wo)街流量計(ji)就是參考(kao)日常生活(huo)中渦街現(xian)象的原理(li)，在管道中(zhong)插入合适(shi)大小和形(xing)狀的柱體(ti)（即渦街發(fa)生體）。當流(liu)體流過時(shi)，在渦街發(fa)生體後兩(liang)側産生交(jiao)替排列的(de)漩渦，這種(zhong)漩渦被稱(cheng)爲卡門漩(xuan)渦。漩渦的(de)頻率與流(liu)量呈正比(bi)。可用下式(shi)表示：

式（1）中(zhong)：f 爲漩渦的(de)頻率；v 爲流(liu)過渦街發(fa)生體的流(liu)體的平均(jun)速度；d 爲渦(wo)街發生體(ti)的流面寬(kuan)度；St 爲斯特(te)勞哈爾數(shu)（Strouhal number），數值的範(fan)圍爲 0.14 ～ 0.27。測量(liang)時，一般假(jia)定 St=0.2。由此，通(tong)過測量漩(xuan)渦的頻率(lü)就可以計(ji)算出流過(guo)渦街發生(sheng)體的流體(ti)平均速度(du) v，再由下式(shi) ：

可以求出(chu)流量 q。其中(zhong)，A 爲流體流(liu)過渦街發(fa)生體的截(jie)面積。
2.2 渦街(jie)流量計的(de)結構
　　渦街(jie)流量計的(de)基本結構(gou)爲傳感器(qi)和轉換器(qi) 2 大部分。傳(chuan)感器包含(han)渦街發生(sheng)體、檢測元(yuan)件等；轉換(huan)器包含有(you)放大電路(lu)、濾波整形(xing)電路以及(ji) D/A 轉換電路(lu)等；渦街發(fa)生體常見(jian)的有圓柱(zhu)型、T 型柱、四(si)角柱和三(san)角柱。目前(qian)采用較多(duo)，反饋最好(hao)的是三角(jiao)柱型的渦(wo)街發生體(ti)。檢測元件(jian)有壓電晶(jing)片、熱敏電(dian)阻、超聲波(bo)和應變片(pian)差動電容(rong)等。轉換器(qi)部分基本(ben)都智能化(hua)了，把微處(chu)理器芯片(pian)都安裝其(qi)中。渦街流(liu)量可直接(jie)在管道上(shang)安裝、互換(huan)性強、體積(ji)小、長期運(yun)行精度高(gao)，可适用于(yu)大多數液(ye)體、蒸汽和(he)氣體的測(ce)量。3 小流量(liang)、低流速測(ce)量的限制(zhi)問題。
　　基于(yu)渦街流量(liang)計的原理(li)，流量信号(hao)的強度與(yu)流量的平(ping)方成正比(bi)，即流速降(jiang)低時，渦街(jie)信号将以(yi)平方關系(xi)急劇下降(jiang)。圖 2 顯示流(liu)量由零增(zeng)大時，渦街(jie)信号的波(bo)形記錄。在(zai)相同條件(jian)之下，1m/s 流速(su)的氣體産(chan)生的漩渦(wo)力僅是 5m/s 流(liu)速時的 1/25。爲(wei)保證小流(liu)量的檢測(ce)，必須具備(bei)極高的漩(xuan)渦振動檢(jian)測靈敏度(du)，将流量信(xin)号放大千(qian)倍，由此導(dao)緻渦街流(liu)量計對于(yu)蒸汽管道(dao)的振動極(ji)爲敏感，無(wu)流量時指(zhi)示的實際(ji)爲振動幹(gan)擾信号，這(zhe)是渦街流(liu)量計在實(shi)際應用中(zhong)最大的問(wen)題。

　　渦街(jie)流量計的(de)檢測部件(jian)利用壓電(dian)晶片來檢(jian)測漩渦的(de)頻率 f，由此(ci)得到電壓(ya)信号。此電(dian)壓信号需(xu)要經過放(fang)大電路和(he)觸發裝置(zhi)，将漩渦頻(pin)率最終變(bian)成儀器所(suo)能顯示的(de)脈沖信号(hao)。此脈沖信(xin)号再次送(song)入轉換儀(yi)表裝置換(huan)算成可顯(xian)示的被測(ce)流量。其中(zhong)，放大器的(de)放大倍數(shu) A 和觸發器(qi)的門限電(dian)壓均可以(yi)進行調整(zheng)。如圖 3 所示(shi)。

圖 3 中輸入(ru)信号電壓(ya)爲 E，噪聲信(xin)号轉換到(dao)電壓輸入(ru)端爲 V, 門限(xian)電壓 U 通過(guo)放大器輸(shu)出爲 u, 放大(da)器的放大(da)倍數爲 A。因(yin) u=AU，所以改變(bian) A 或者 U 的效(xiao)果是相同(tong)的[2]。
如圖 4 所(suo)示。要使得(de)觸發器的(de)輸出信号(hao)爲有效信(xin)号，必須使(shi)得觸發器(qi)輸入的有(you)效信号 u 遠(yuan)大于噪聲(sheng)信号。因此(ci)，渦街流量(liang)計正常工(gong)作的必要(yao)條件是：E > u > V。

　　當渦(wo)街流量計(ji)測量低流(liu)速、小流量(liang)流體的時(shi)候，依據上(shang)述分析必(bi)須提高信(xin)噪比，盡量(liang)提高輸入(ru)流量的有(you)效信号，降(jiang)低機械振(zhen)動産生的(de)幹擾信号(hao)的幅值。因(yin)此，可以修(xiu)正阻流體(ti)的結構形(xing)狀，使傳感(gan)器能更好(hao)地接收漩(xuan)渦的脈動(dong)頻率，這樣(yang)可以大幅(fu)度提高有(you)效信号的(de)幅值[3]。另一(yi)種更實際(ji)有效的辦(ban)法是在漩(xuan)渦發生體(ti)的兩端分(fen)别安裝 1 對(dui)對稱的壓(ya)電晶體，采(cai)用差動式(shi)的壓電傳(chuan)感器感知(zhi)信号，并利(li)用差動放(fang)大電路來(lai)放大信号(hao)，如圖 4 所示(shi)。由于電路(lu)中機械振(zhen)動産生的(de)幹擾對 2 塊(kuai)壓電晶體(ti)的作用力(li)是一緻的(de)，并且流體(ti)漩渦在阻(zu)流體兩側(ce)是交替産(chan)生的，所以(yi)幹擾産生(sheng)的信号通(tong)過差動放(fang)大後，機械(xie)振動信号(hao)因爲相同(tong)而相互抵(di)消削減，而(er)2 塊壓電晶(jing)體相反的(de)流量信号(hao)相加後增(zeng)強。于是，大(da)大降低了(le)機械振動(dong)信号的幹(gan)擾。
4 大流量(liang)、高流速測(ce)量的限制(zhi)問題
　　通常(chang)認爲，管道(dao)裏的蒸汽(qi)流速不會(hui)超過 60m/s，在選(xuan)擇流量計(ji)時，量程達(da)到 60m/s 就已足(zu)夠，而采用(yong)在線實時(shi)頻譜分析(xi)時發現：?80 及(ji)其以下的(de)管線，經常(chang)出現高于(yu) 80m/s 的高流速(su)，其中有近(jin)一半的出(chu)現超過 100m/s 的(de)高流速，更(geng)有甚者，流(liu)速高達 180m/s。一(yi)般的渦街(jie)流量計在(zai)流速過高(gao)時，因劇烈(lie)的漏波現(xian)象，出現難(nan)以估算的(de)誤差，所以(yi)也難于判(pan)斷超高流(liu)速的大小(xiao)。如圖 5 所示(shi)，漏波現象(xiang)使流量偏(pian)小 44.3%。針對這(zhe)一現象，采(cai)用頻譜分(fen)析＋動态濾(lü)波，改善信(xin)号波動，消(xiao)除“漏波”現(xian)象。

　　信号可(ke)以從時域(yu)分析，也可(ke)以從頻域(yu)分析。時域(yu)的信号圖(tu)像，是以時(shi)間軸爲橫(heng)軸；頻域的(de)信号圖像(xiang)，是以頻率(lü)值作爲橫(heng)軸。信号的(de)時域分析(xi)主要側重(zhong)于信号的(de)直觀印象(xiang)，例如信号(hao)的周期，信(xin)号在某一(yi)時間點的(de)幅值等。信(xin)号的頻域(yu)分析，是采(cai)用傅裏葉(ye)變換，将 X（t）變(bian)換成 X（f）[4]。具體(ti)的變換方(fang)法在這裏(li)不再贅述(shu)。信号的頻(pin)譜圖表明(ming)了信号在(zai)不同頻率(lü)分量成分(fen)的大小，比(bi)時域圖像(xiang)提供更具(ju)體更豐富(fu)的頻域圖(tu)像。在 PicoScope 示波(bo)器中，可以(yi)利用其頻(pin)譜分析的(de)功能來觀(guan)察信号的(de)頻譜。
　　信号(hao)的濾波處(chu)理通常是(shi)信号處理(li)中常用的(de)方法。信号(hao)的濾波主(zhu)要是獲得(de)自己想要(yao)的信号，并(bing)且過濾掉(diao)不符合實(shi)驗要求的(de)信号。通常(chang)有低通、高(gao)通、帶通、帶(dai)阻這幾種(zhong)方式。實際(ji)應用中，通(tong)常是設計(ji)濾波電路(lu)對電路進(jin)行濾波。在(zai)測試測量(liang)中，往往需(xu)要的是濾(lü)掉信号中(zhong)的雜波。盡(jin)可能排除(chu)影響因素(su)，通過對傳(chuan)感器原始(shi)信号直接(jie)進行實時(shi)頻譜分析(xi)，得出超高(gao)流速時的(de)流量值。如(ru)圖 6 所示。

5 結(jie)束語
　　由于(yu)渦街流量(liang)計容易與(yu)數字電子(zi)設備配套(tao)使用，所以(yi)是一種比(bi)較先進、理(li)想的測量(liang)儀器。漩渦(wo)升力與流(liu)量的平方(fang)呈正比、與(yu)流體的密(mi)度呈正比(bi)。因此，當小(xiao)流量、低流(liu)速或大流(liu)量、高流速(su)的時候，對(dui)渦街流量(liang)計提出了(le)比較高的(de)要求。針對(dui)這個問題(ti)，本文做了(le)相應的探(tan)讨。爲了使(shi)渦街流量(liang)計盡可能(neng)測量低流(liu)速、小流量(liang)，必須提高(gao)信噪比，采(cai)用差動壓(ya)電傳感器(qi)和差動放(fang)大電路，盡(jin)量提高有(you)效流量信(xin)号的幅值(zhi)而降低機(ji)械振動幹(gan)擾信号的(de)幅值。針對(dui)高流速、大(da)流量産生(sheng)漏波現象(xiang)的問題，采(cai)用頻譜分(fen)析和動态(tai)濾波的方(fang)法，盡量減(jian)少漏波現(xian)象。圖 7 爲未(wei)處理時流(liu)量計輸出(chu)的傳感器(qi)信号和放(fang)大器輸出(chu)信号。圖 7（a）上(shang)部爲傳感(gan)器輸出的(de)原始信号(hao)，下部爲放(fang)大器輸出(chu)信号；圖 7（b）爲(wei)展開的視(shi)圖。圖 8 爲處(chu)理後流量(liang)計輸出的(de)傳感器信(xin)号和放大(da)器輸出信(xin)号。圖 8（a）上部(bu)爲傳感器(qi)輸出的原(yuan)始信号，下(xia)部爲放大(da)器輸出信(xin)号；圖 8（b）爲展(zhan)開的視圖(tu)。

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