摘要:渦街(jie)流量計 是(shì)根據渦街(jiē)原理制備(bèi)的測量氣(qì)體和液體(tǐ)流量計量(liang)儀器，自上(shàng)世紀八十(shí)年代以來(lái)被廣泛使(shi)用，其技術(shù)也💔不斷進(jìn)步㊙️。渦街流(liú)量計的旋(xuan)渦發生體(tǐ)(阻流體🥰)、檢(jiǎn)測元件(傳(chuán)感器)、前置(zhi)放大器🔴、濾(lǜ)波整形電(dian)路、D/A轉換電(dian)路、輸出接(jie)口電路等(deng)方面的技(jì)術特點和(hé)研究進⭐展(zhǎn)進行了綜(zong)述。
　　渦街流(liú)量計是用(yong)于氣體、液(yè)體等流體(ti)介質的測(cè)量的常🌈用(yong)儀器之一(yī)，其應用已(yǐ)經從最初(chu)的水蒸氣(qì)、水的測量(liang)擴⭐展到生(shēng)物學、醫學(xue)、衛生、化學(xue)化工等領(ling)域。随着各(gè)🌈種相關技(jì)術等不斷(duan)提高，渦街(jie)流量計向(xiang)着高、精、尖(jian)方向發展(zhǎn)。
　　渦街流量(liang)計應用最(zuì)多的領域(yu)是石油化(hua)工企業，由(you)于其‼️傳❗感(gan)部件可以(yi)不直接接(jie)觸被測介(jiè)質，可以用(yong)于測量各(ge)類液體、氣(qi)體流量，一(yī)般其不鏽(xiù)鋼旋渦發(fā)生體和封(fēng)裝于不鏽(xiù)鋼體的傳(chuán)感器，能夠(gòu)耐受高溫(wēn)高壓，可用(yòng)于液體、氣(qì)體、蒸汽測(ce)量。現在也(ye)有推出管(guan)徑小于25mm以(yi)下的采用(yong)模壓成型(xíng)工藝的🔞全(quán)塑料産品(pin)渦街流量(liang)傳感器，配(pei)置非接觸(chu)的超聲波(bo)檢測元件(jiàn)，可用于腐(fǔ)蝕性液🛀體(ti)和高🐅純淨(jing)液體的流(liu)量測量。在(zài)🛀🏻石油化工(gong)、制藥、食品(pǐn)和半導體(tǐ)工業中，渦(wō)街流量計(jì)有着廣泛(fàn)的應用，可(kě)以準确測(cè)量的介質(zhì)包括甲醇(chun)、甲醛、丙酮(tong)、甲苯、三氯(lǜ)乙烯、乙烯(xī)、丁烷液氨(an)、空分裝置(zhi)中液氧、液(ye)氮流量等(děng)，還有半導(dao)體工業純(chún)水、超淨純(chún)水等。
　　根據(ju)卡門(Karman)渦街(jie)原理研制(zhì)的渦街流(liu)量計主要(yao)用于工業(ye)管道💋介質(zhi)流體如氣(qi)體、液體等(deng)的流量測(ce)量。渦街流(liú)量計的特(tè)💘點是量程(chéng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻範圍大、壓(ya)力損失小(xiao)，在體積流(liú)量測量時(shi)幾乎不受(shou)流體密度(dù)、溫度、壓力(li)、粘度等因(yīn)素的影響(xiang)，精度高，維(wéi)護量小，可(kě)靠性高，工(gong)作溫🐪度範(fàn)圍較寬(－20～250℃)。信(xin)号輸出方(fang)🈲式有數字(zì)脈沖信号(hao)輸出，也有(yǒu)模拟标🐆準(zhǔn)信号，易于(yú)智能化、自(zi)動化控制(zhì)，是大中型(xing)企業比較(jiào)先進、理想(xiǎng)的介質流(liu)量測量儀(yi)器。常👄見的(de)渦街流量(liang)計如圖1所(suǒ)示。

　　渦街流量(liàng)計分類方(fāng)法有多種(zhong)，如按照檢(jian)測方式分(fèn)爲💘熱☀️敏式(shì)、電容式、應(ying)力式、超聲(sheng)式、應變式(shi)、光電式、振(zhen)動體式和(hé)光纖式等(děng);按傳感器(qì)與轉換器(qi)組成分爲(wèi)♈一體型和(hé)分離型;按(àn)測量原理(li)分爲質量(liang)流量計和(he)體積流量(liàng)計等。本文(wén)在介紹了(le)🌈渦街流量(liang)計工作原(yuán)理的基礎(chǔ)上❗，對最近(jìn)幾年來關(guan)于渦街流(liú)量計的改(gai)造現狀進(jìn)行了總結(jié)述評，以期(qi)☀️進一步推(tuī)動渦🌈街流(liu)量計發展(zhan)🐕。
1渦街流量(liàng)計的基本(běn)原理
　　渦街(jiē)流量計中(zhōng)卡門渦街(jie)形成基本(běn)原理如圖(tú)2所示。

　　正如圖(tú)2所示，處于(yu)流體中的(de)三角柱是(shì)旋渦發生(shēng)體📱，當流體(tǐ)從㊙️旋渦發(fā)生體兩側(ce)流過時，産(chan)生有規則(zé)的交替旋(xuán)渦———卡門🌏旋(xuan)渦，這些規(guī)則交替的(de)旋渦在旋(xuán)渦發生體(ti)下遊非對(dui)稱地排列(liè)。旋渦的釋(shi)放頻率f與(yǔ)流過旋渦(wo)發生體的(de)流體平均(jun)速度及旋(xuan)渦發生體(ti)特征寬度(dù)有關，可用(yòng)下式表♉示(shi):
f=Stv/d
式中:
f———旋渦(wo)的釋放頻(pín)率，Hz
v———流過旋(xuan)渦發生體(tǐ)的流體平(ping)均速度，m/s
d———旋(xuán)渦發生體(ti)特征寬度(du)，m
St———斯特羅哈(hā)數，無量綱(gang)，它的數值(zhí)範圍爲0.14～0.27
St———雷(lei)諾數Re的函(han)數，當Re在102～105範(fan)圍内，St值大(da)約爲0.2
因此(cǐ)，在測量過(guò)程中，要盡(jìn)量滿足流(liú)體的Re在102～105，則(ze)旋渦的頻(pín)率f=0.2v/d。
　　由此可(ke)知，通過測(cè)量旋渦頻(pín)率f即可得(de)出流過旋(xuan)渦發💯生體(tǐ)✌️的流體平(píng)均速度v，再(zài)由公式q=vA即(jí)可求出流(liú)體流量q，其(qi)中A爲流⭐體(tǐ)流過旋💃渦(wo)發生體的(de)截面積。
2渦(wo)街流量計(jì)的技術改(gǎi)進研究
　　渦(wō)街流量計(ji)主要由渦(wō)街傳感器(qi)和轉換器(qi)兩部分組(zǔ)成🚶‍♀️。其🙇🏻中傳(chuan)👅感器包括(kuò)旋渦發生(shēng)體(阻流體(tǐ))、檢測元件(jiàn)等;轉換器(qì)包括前置(zhì)放大器、濾(lǜ)波整形電(diàn)路、D/A轉換電(diàn)路、輸出接(jie)口電路、端(duan)💃子等。因㊙️此(ci)，渦街流量(liàng)計的技💁術(shù)改進研究(jiu)也主要集(ji)中在這幾(jǐ)個方面。以(yǐ)下爲近幾(jǐ)年來渦街(jie)流量計技(ji)術改進的(de)現狀。
2.1傳感(gan)器改進
　　渦(wō)街流量計(ji)的重要組(zǔ)成部分是(shi)傳感器，其(qi)靈敏度和(he)精度都與(yu)傳感器直(zhí)接相關，因(yīn)此，傳感器(qì)的改進是(shi)渦街流量(liang)計🆚改進的(de)重點研究(jiu)課題之一(yi)。蔡武昌［1］指(zhǐ)出流量檢(jiǎn)測儀表的(de)關鍵問題(ti)之一是傳(chuan)感器的設(she)計，其預測(ce)流量計技(jì)術改進的(de)一個重要(yao)方面是傳(chuan)感器結構(gou)設計中應(ying)該将溫度(du)、壓力、管徑(jing)等參數🤩集(ji)合到流量(liang)傳💘感器内(nèi)。
　　渦街流量(liàng)計的缺點(dian)是抗幹擾(rao)性能差，震(zhen)動、強電磁(ci)場☎️、高溫環(huan)🈲境😘因素等(deng)對渦街流(liú)量計的測(ce)定有很大(da)影響，因此(ci)設計高抗(kang)幹擾👉的流(liú)量計是渦(wō)街流量計(ji)研究者🔴的(de)追求😄。潘岚(lan)等［2］針對這(zhè)一點設計(ji)了懸浮式(shi)✊差動傳感(gǎn)🌍器(如圖3所(suo)示)，其設計(jì)原理爲，懸(xuan)浮式差動(dong)傳感器B位(wei)于漩渦發(fa)生體的後(hou)面，懸浮式(shì)差動傳感(gǎn)器每個檢(jian)測元件使(shǐ)用4個壓電(dian)晶體，平闆(pan)兩側分别(bié)對稱固定(ding)✂️了兩個檢(jiǎn)測單元，以(yǐ)形成差動(dong)結構。兩壓(ya)電陶瓷片(pian)之間由一(yī)金屬質量(liang)塊固定成(chéng)一個剛體(ti)，同時金屬(shǔ)質量塊作(zuo)爲㊙️壓電陶(tao)🔞瓷的輸出(chū)電極，輸出(chū)檢測信号(hao)給電荷🏃‍♂️放(fang)大電路，并(bìng)聯的兩片(pian)壓電晶體(ti)🌐使輸出的(de)渦街流量(liang)信号增大(dà)，使渦街流(liú)量計輸出(chū)🆚信号的信(xin)噪比得到(dao)很大提高(gāo)，實驗結果(guǒ)表明，安裝(zhuang)懸浮式差(cha)💋動傳感器(qi)的渦街流(liu)量計抗幹(gan)💔擾性能顯(xian)著改善。

　　當渦(wō)街傳感器(qì)中漩渦發(fa)生體和壓(yā)電探頭處(chu)于分離狀(zhuang)态時壓電(diàn)探頭的位(wèi)置對渦街(jie)信号的檢(jian)測具有比(bǐ)較大的影(yǐng)響。因此，壓(yā)電探頭位(wei)置與渦街(jie)信号幅值(zhi)、頻率之間(jiān)的聯系，不(bú)同旋渦發(fa)生體，最強(qiáng)渦街信号(hao)出現的位(wei)置也不同(tong)。通過在DN100和(hé)DN50的水、氣介(jiè)質流量标(biāo)準裝置上(shàng)研究發現(xian)，傳感器中(zhong)壓電探頭(tóu)的最佳位(wèi)置應處于(yu)發生體尾(wěi)部且等于(yu)發生體寬(kuān)度處，此距(ju)離與發生(shēng)體寬度呈(chéng)線性正比(bi)關系，不随(sui)被測介質(zhi)不同而改(gai)變。這項研(yán)究對于渦(wo)街流量計(jì)傳感器的(de)改進具有(you)實用性和(hé)推廣性。
　　壓(yā)電晶體渦(wō)街傳感器(qì)中采用的(de)是壓電材(cai)料受力後(hòu)産生的電(dian)壓信号作(zuo)爲測試信(xìn)号，但是，壓(yā)電晶體傳(chuan)感器信♈号(hao)轉換的優(you)劣依賴于(yú)電壓或電(diàn)荷放大🍉器(qi)性能🔞的影(ying)響。利用與(yǔ)壓電晶體(ti)傳感✊器同(tóng)樣具有小(xiǎo)功率、高内(nei)阻且電荷(hé)量輸出相(xiang)似特性的(de)矽光電🔱池(chí)作爲測試(shì)✍️電荷放大(da)器性能的(de)信号💔發生(shēng)器，矽光💃🏻電(dian)池性能穩(wěn)定、耐高溫(wēn)、耐輻射、轉(zhuan)換效率高(gao)和頻率‼️相(xiàng)應好等💃優(you)點，從而保(bǎo)證了測試(shì)電荷放大(dà)器頻率響(xiang)♍應特性的(de)準确性。采(cǎi)用矽光電(diàn)池信号發(fā)生器測得(dé)的電荷放(fang)大器下限(xiàn)截止頻率(lǜ)(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與(yu)理論仿📞真(zhēn)值(10.61Hz)十分接(jiē)近，而采用(yong)壓電信号(hao)發生器時(shi)測得的fL2爲(wei)12Hz，這對壓電(dian)式渦街流(liú)量計有很(hěn)好的實用(yong)性意義🌐。
　　光(guang)纖光栅具(ju)有抗電磁(cí)幹擾、天然(rán)電絕緣性(xìng)、抗腐蝕性(xing)和體積小(xiǎo)等優異性(xìng)能，作爲流(liú)量傳感器(qì)元件具有(yǒu)得天獨厚(hou)的條件，如(ru)檢測精度(dù)高、量程比(bi)寬、介質适(shì)應性強、線(xian)性好和易(yì)于實現智(zhi)能控制。李(lǐ)紅民等［5］采(cǎi)用電子濾(lü)波技術把(ba)光纖光栅(shan)作爲敏感(gan)元件制作(zuò)了一種光(guang)纖光栅渦(wō)街流量傳(chuán)感器。實驗(yàn)結果表🤟明(míng)光纖光栅(shan)渦📞街流量(liang)傳感器的(de)量程達到(dao)可以達到(dao)25L/min，線性誤差(cha)僅爲0.42%，具有(yǒu)很好的線(xian)性度，測量(liàng)精度達㊙️到(dào)±0.5%F.S。這種傳感(gan)器可以适(shì)用于高溫(wēn)、強輻射、強(qiang)磁場幹擾(rǎo)和腐蝕🌂性(xìng)環境如化(hua)學化工、礦(kuang)山、核電等(deng)領域内各(ge)種氣體和(he)液體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流量(liang)的測量。
　　随(suí)着微電子(zǐ)機械技術(shù)研究的不(bú)斷發展，促(cu)使流量傳(chuan)🔆感器向高(gao)集成度、高(gāo)精度、微型(xíng)化、高準确(què)可靠性方(fang)向發展，适(shì)用于生物(wù)、醫藥、衛生(sheng)等微流體(tǐ)計量的新(xin)型微型流(liu)量傳感器(qì)不斷湧現(xian)。基于MEMS技術(shu)的流量傳(chuan)感器如熱(rè)式微型、流(liu)體振動型(xíng)、差壓型✔️及(jí)仿生型🚶微(wēi)型流量傳(chuan)感器等不(bu)斷👣出現［7］。
　　基(jī)于溫差測(ce)量原理推(tui)出一種測(cè)量低流速(sù)氣體流量(liang)的傳感器(qì)，該傳感器(qì)由一對集(jí)成溫度傳(chuan)感器芯片(pian)與🍓片狀鉑(bó)電阻熱源(yuan)構成。在低(dī)于0.5cm/s的低流(liu)速下，該傳(chuan)感器仍具(jù)有數十至(zhì)數百毫伏(fú)的輸出信(xìn)号幅度，傳(chuan)感器輸出(chū)電壓與✨方(fāng)根流速成(cheng)近似的線(xiàn)性關系，在(zai)低流速條(tiao)👌件下該流(liu)量傳感器(qì)具有靈敏(min)度和穩‼️定(dìng)性。
　　渦街流(liú)量計有抗(kang)幹擾性能(neng)差、量程窄(zhǎi)等缺點問(wèn)題，針對這(zhe)✌️些問題，從(cóng)渦街信号(hao)的源頭加(jiā)以改進，推(tui)出一種抗(kàng)幹擾性能(néng)優異的通(tong)用渦街流(liu)量傳感器(qi)，提高了渦(wō)街信号的(de)信噪比和(he)靈敏度，同(tong)🈲時加強保(bao)護措施，如(ru)對初級信(xin)号處理電(diàn)路的信号(hào)和輸出信(xìn)号💚過程的(de)導線進行(háng)屏蔽等💯，提(ti)高了渦街(jiē)流量計的(de)抗幹擾性(xìng)、并提🏃高了(le)測量量程(cheng)。測試證實(shí)，渦街流量(liang)計不僅可(ke)以抵抗1.5g以(yǐ)下的機📞械(xiè)振動幹擾(rao)，也實現了(le)大⭕于20∶1的寬(kuan)量程比性(xìng)能💘。

　　爲了實現(xiàn)對蒸汽的(de)流量、壓力(lì)、溫度和質(zhi)量流量等(deng)多參數準(zhǔn)确測量，成(cheng)功研制出(chū)集溫度傳(chuan)感器、壓力(lì)傳感😄器及(ji)渦街流量(liàng)🔞傳感器于(yu)一體的蒸(zheng)汽渦街流(liú)量計(如圖(tú)4所示)，其中(zhōng)渦✏️街流量(liàng)傳感器采(cǎi)用壓電傳(chuán)🈲感器與旋(xuan)渦發生體(tǐ)分離結構(gou)的壓電式(shi)通用渦街(jie)🙇🏻流量傳感(gan)器(如圖5所(suo)示)，溫度傳(chuán)感器采用(yòng)精度高、可(ke)靠性強、價(jià)格便宜的(de)高溫薄膜(mo)鉑電阻Pt100或(huo)Pt1000傳感器，其(qí)耐溫範圍(wei)更廣:－200～600℃，采🙇‍♀️用(yòng)微型獨立(li)封裝;壓力(lì)傳感器采(cai)用🏃精度高(gao)、耐溫穩定(dìng)性好、密封(fēng)可靠的氩(yà)弧焊封裝(zhuāng)結構的高(gao)穩态壓阻(zǔ)式壓力傳(chuán)感器。對該(gai)渦街流量(liang)計檢定測(cè)試結果爲(wèi)1級。目🔴前，覆(fù)蓋從DN15到DN30所(suo)有口徑的(de)👅該渦街流(liú)量計已經(jing)工業化批(pī)量生産。
　　懸(xuan)臂式渦街(jie)流量傳感(gan)器具有信(xìn)号強、響應(yīng)快、工藝好(hao)、制作成🌈本(ben)低等優點(dian)，但是它的(de)固有頻率(lü)普遍較低(di)，對大流量(liàng)信号測🔱定(ding)或在複雜(zá)的環境中(zhong)測量時其(qí)測量精度(dù)會受到嚴(yan)🌈重幹擾，爲(wèi)此，通過對(dui)渦街流量(liàng)傳感器進(jin)行受力分(fèn)析，研究了(le)在一定力(li)下壓電片(piàn)的形變量(liang)💞、懸臂式渦(wo)街流量傳(chuan)感器固有(yǒu)頻率的決(jue)定因素和(he)管道振動(dòng)對傳感器(qì)輸出信号(hào)的影響，設(she)計了兩‼️種(zhǒng)新型的、具(ju)有❤️較好的(de)抗管道振(zhen)動能力的(de)抗振懸臂(bi)梁渦街流(liu)量傳感器(qi)，實驗表明(míng)，這兩種新(xin)型渦街流(liu)量傳感器(qì)具有更高(gāo)靈敏度。
2.2渦(wō)街信号的(de)處理和轉(zhuan)換電路等(děng)的改進
　　渦(wō)街流量計(ji)信号的頻(pín)率範圍一(yī)般爲1～2500Hz，易受(shou)噪聲的幹(gàn)擾，設計高(gao)✏️精度的渦(wo)街信号處(chu)理系統，對(dui)渦街信号(hào)處理方式(shi)的改進是(shì)自動化和(hé)儀器儀表(biao)等學術界(jie)的熱點之(zhi)一👈。以TMS320F2812芯片(pian)爲核心🌐控(kong)制器，利用(yong)2812DSP的l2位16通道(dào)ADC模塊對渦(wo)街流量計(ji)傳感器信(xìn)号進行㊙️采(cǎi)集，結合FFT周(zhōu)期譜圖法(fa)對采集信(xìn)号進行特(te)征分析，提(ti)取到有用(yong)信号，适當(dāng)地抑制确(què)定性噪聲(shēng)。實驗和仿(pang)真驗證了(le)設計系統(tong)抗幹擾性(xing)能強，具有(yǒu)可✏️行性和(he)正确性。以(yi)TMS320LF2407ADSP微處理器(qi)爲核心，通(tong)過前端多(duō)級放大🔞及(jí)濾波，并采(cai)用高精度(dù)A/D轉換芯片(pian)，設計了高(gāo)精度渦街(jiē)信号處理(lǐ)系統(系統(tong)硬件㊙️框架(jià)圖如圖6所(suǒ)示)。仿真實(shí)驗驗證，該(gai)系統具有(yǒu)🈲實時性強(qiang)、精度高、性(xing)價比高等(deng)優點，有潛(qian)在的工業(yè)開發價值(zhí)。利用窗函(hán)數法設計(jì)FIR和了IIR數字(zi)濾波器對(duì)渦街流量(liàng)計的輸出(chū)信号進行(háng)濾波處理(li)，濾波後的(de)波形平🧡滑(hua)了很多，即(jí)将大部分(fen)的噪音信(xin)号去除，以(yǐ)提高測定(ding)流速的準(zhǔn)确度。

　　針對渦(wō)街流量計(ji)易被幹擾(rao)的問一種(zhǒng)基于MUSIC算法(fǎ)的渦⛱️街信(xin)号🏒處理方(fāng)法。在模拟(nǐ)MUSIC算法的基(ji)本原理的(de)基礎上✂️，對(duì)多種噪聲(sheng)環境下的(de)渦街信号(hao)進行仿真(zhēn)驗證。仿真(zhen)驗證結果(guo)表明:MUSIC算法(fa)可以有效(xiao)地濾除典(diǎn)型噪聲，高(gao)精度地分(fèn)辨🔞頻率點(dian)，對改善渦(wo)街流量計(ji)的✨性能有(yǒu)良好的效(xiao)果。采用經(jīng)驗模态分(fèn)解(EMD)方法對(dui)渦☁️街信号(hao)中幹💔擾噪(zao)聲進行濾(lǜ)除✂️，得到真(zhēn)實的渦街(jie)信号。其基(jī)本方法是(shi)首先将原(yuán)始信号輸(shu)送到二階(jiē)低通濾波(bō)器進行幅(fú)值🈲歸一化(hua)，然後将歸(guī)一🔴化後的(de)信号經EMD算(suàn)法🏃‍♂️分解成(cheng)噪聲分量(liang)和真實渦(wo)街信号分(fèn)量，最後，通(tōng)過施密特(tè)🤞阈值翻轉(zhuan)法統計頻(pin)率并判别(bie)出真實的(de)渦街信号(hào)所在的🔞分(fèn)量，從而提(ti)取渦街信(xin)号。通過💜仿(páng)真試驗分(fen)析，驗證該(gāi)數字信号(hào)處理方法(fa)的有效性(xing)。以MSP430型單片(piàn)機爲核心(xīn)對智能渦(wō)街流量計(ji)轉✊換電路(lu)進行設計(jì)與開發，其(qi)方法是對(duì)渦街傳感(gǎn)器❤️前置放(fàng)大闆送出(chu)的脈沖信(xin)号進行采(cǎi)集處理，MSP430輸(shū)出的數字(zì)信号至D/A轉(zhuǎn)換模塊産(chan)生标準4～20mA信(xìn)号輸出。通(tōng)過電路轉(zhuǎn)換解決了(le)以往轉換(huan)電路存在(zài)的功耗大(da)、性能不穩(wen)定等問題(ti)。
3結語
　　随着(zhe)我國經濟(jì)模式的發(fā)展轉變和(hé)人力資源(yuan)成本的不(bu)斷增加以(yi)及新技術(shù)的不斷湧(yǒng)現，大型工(gōng)業企業要(yao)求生産設(she)備的自動(dong)化、智能化(hua)程度越來(lai)越高，作爲(wèi)常用流體(tǐ)🔞介質的計(ji)量設備———渦(wo)街流量計(ji)也迎‼️來了(le)技術改進(jin)的最佳時(shi)機，如光纖(xian)光栅傳感(gan)技術、超聲(sheng)傳感技術(shù)、光電傳感(gǎn)✔️技術等用(yòng)于渦街流(liu)量計的制(zhì)備，未來的(de)🈲渦街流量(liàng)計将更加(jiā)高端、精密(mì)，用于生物(wù)、醫藥🚩、衛生(sheng)健🔞康等行(hang)業的精細(xì)測量的渦(wo)街流量計(ji)将會得到(dao)更大的發(fā)展。

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