0 引言
　　 流量(liàng)計 是指示被測(ce)流量和在選定(dìng)時間間隔内流(liú)體總量的儀表(biao)。流量計的種類(lei)類别非常多，利(li)用的測量原理(lǐ)也各不相同，有(yǒu)力學原理、熱學(xue)原理、電學原理(lǐ)及光學原理等(deng)。當前 , 在氣體及(ji)低粘度液體流(liu)量計選型中 , 由(yóu)于孔闆流量計(jì)有悠久的曆史(shǐ)背景，各種試驗(yàn)數據齊全。結構(gou)簡單，無可動部(bù)件，标準化程度(du)高，可不必進行(háng)實流标定等優(you)點，被廣泛使用(yong)。
　　 孔闆流量計 屬(shǔ)于差壓式流量(liàng)計，流體流過管(guǎn)體内的節流裝(zhuāng)置，在節流裝置(zhì)周圍産生收縮(suō)，利用壓力差來(lai)測量流體流速(sù)。孔闆流量計的(de)節流裝置爲孔(kǒng)闆，即中央開有(you)圓孔的金屬闆(pan)，其結構如圖 1 所(suǒ)示。安裝時将孔(kong)闆垂直放置在(zai)管道中，測取孔(kǒng)闆前後兩端的(de)壓力差，用傳感(gan)器把感知的壓(ya)力差轉換爲電(dian)壓量，然後與壓(ya)差計相連，即構(gou)成孔闆流量計(ji)。由于孔闆流量(liang)計是通過産生(sheng)壓力損失進行(háng)流量檢測，所以(yi)壓力損失較大(da)，通常高達 10 ～ 20kpa。由于(yú)孔闆流量計的(de)流量系數與雷(léi)諾系數有關，它(tā)的測量範圍比(bǐ)較窄，量程範圍(wéi)一般爲 3:1 ～ 4:1，而且孔(kǒng)闆流量計在實(shí)際應用中，由于(yú)安裝複雜，整個(ge)壓力傳遞路徑(jìng)中易受到洩漏(lòu)、冷凝壺及下遊(you)導壓管位置偏(piān)差、孔闆同心度(du)、垂直度等衆多(duō)因素的影響，實(shí)際精度難以确(que)定。

　　因(yīn)此，爲了解決孔(kong)闆流量計在測(cè)量時存在的諸(zhū)多問題，渦街流(liu)量計 應運而生(sheng)。
1 渦街流量計的(de)優缺點
　　渦街流(liú)量計在諸多應(yīng)用方面都優于(yu)傳統的孔闆流(liu)量計。比如，孔闆(pǎn)流量計 1 個測量(liàng)回路靜密封點(dian)爲 20 個左右。相比(bǐ)而言，渦街流量(liang)計的靜密封點(diǎn)隻有 3 個，不容易(yì)洩漏 ，它不受流(liú)體溫度、壓力還(hái)有密度等影響(xiǎng)，流量系數長期(qi)不變[1]。
　　但是渦街(jiē)流量計在使用(yong)的時候，也存在(zai)一些問題。
1）由于(yú)渦街流量計的(de)原始信号爲頻(pín)率信号，緻使渦(wo)街流量計實際(ji)爲一種數字式(shì)儀表。它隻要能(néng)正常工作，精度(dù)一定有保證。但(dan)是一旦不能正(zheng)常工作，産生的(de)測量誤差将非(fēi)常大，甚至連流(liu)量的變化趨勢(shì)都不能指示，徹(chè)底不能工作。
2）漩(xuan)渦升力與流量(liàng)的平方呈正比(bi)、與流體的密度(dù)呈正比。因此，流(liú)量減小時，渦街(jie)信号以 2 階關系(xì)急劇減弱，而氣(qì)體的渦街信号(hào)遠低于液體。在(zài)用于氣體流量(liang)檢測時，因低密(mi)度、低流速導緻(zhì)渦街信号微弱(ruo)，極易湮沒在幹(gàn)擾之中，流量計(ji)無法正确識别(bié)出漩渦，緻使測(cè)量失敗。
3）由于渦(wo)街流量計傳感(gǎn)器必須敏感檢(jian)測小流量時微(wēi)小的渦街升力(lì)，直接限制了傳(chuan)感器的結構。針(zhēn)對以上一些問(wèn)題，下面将做部(bu)分探讨。
2 渦街流(liú)量計工作原理(li)與結構
2.1 渦街流(liu)量計的工作原(yuán)理
　　在日常生活(huó)中經常能看到(dao)渦街現象，比如(ru)風中的旗幟，由(you)于旗杆産生的(de)渦街而擺動，風(fēng)越大，旗幟擺動(dong)越快－－擺動與風(fēng)速呈正比。還有(yǒu)橋墩、煙囪、高樓(lóu)的設計均需考(kao)慮渦街的破壞(huài)力。
　　渦街流量計(jì)就是參考日常(cháng)生活中渦街現(xian)象的原理，在管(guan)道中插入合适(shì)大小和形狀的(de)柱體（即渦街發(fa)生體）。當流體流(liú)過時，在渦街發(fa)生體後兩側産(chan)生交替排列的(de)漩渦，這種漩渦(wo)被稱爲卡門漩(xuán)渦。漩渦的頻率(lü)與流量呈正比(bi)。可用下式表示(shi)：

式（1）中：f 爲漩渦的(de)頻率；v 爲流過渦(wō)街發生體的流(liu)體的平均速度(dù)；d 爲渦街發生體(ti)的流面寬度；St 爲(wei)斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number），數值的範圍爲(wèi) 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假(jia)定 St=0.2。由此，通過測(ce)量漩渦的頻率(lǜ)就可以計算出(chū)流過渦街發生(sheng)體的流體平均(jun)速度 v，再由下式(shi) ：

可以求出流量(liang) q。其中，A 爲流體流(liu)過渦街發生體(tǐ)的截面積。
2.2 渦街(jie)流量計的結構(gou)
　　渦街流量計的(de)基本結構爲傳(chuan)感器和轉換器(qi) 2 大部分。傳感器(qì)包含渦街發生(sheng)體、檢測元件等(děng)；轉換器包含有(you)放大電路、濾波(bo)整形電路以及(jí) D/A 轉換電路等；渦(wo)街發生體常見(jiàn)的有圓柱型、T 型(xíng)柱、四角柱和三(san)角柱。目前采用(yòng)較多，反饋最好(hǎo)的是三角柱型(xíng)的渦街發生體(tǐ)。檢測元件有壓(ya)電晶片、熱敏電(diàn)阻、超聲波和應(yīng)變片差動電容(róng)等。轉換器部分(fèn)基本都智能化(huà)了，把微處理器(qì)芯片都安裝其(qí)中。渦街流量可(ke)直接在管道上(shàng)安裝、互換性強(qiang)、體積小、長期運(yùn)行精度高，可适(shì)用于大多數液(yè)體、蒸汽和氣體(tǐ)的測量。3 小流量(liàng)、低流速測量的(de)限制問題。
　　基于(yu)渦街流量計的(de)原理，流量信号(hao)的強度與流量(liang)的平方成正比(bǐ)，即流速降低時(shi)，渦街信号将以(yǐ)平方關系急劇(ju)下降。圖 2 顯示流(liú)量由零增大時(shí)，渦街信号的波(bo)形記錄。在相同(tóng)條件之下，1m/s 流速(sù)的氣體産生的(de)漩渦力僅是 5m/s 流(liú)速時的 1/25。爲保證(zhèng)小流量的檢測(ce)，必須具備極高(gao)的漩渦振動檢(jiǎn)測靈敏度，将流(liu)量信号放大千(qiān)倍，由此導緻渦(wo)街流量計對于(yu)蒸汽管道的振(zhèn)動極爲敏感，無(wú)流量時指示的(de)實際爲振動幹(gàn)擾信号，這是渦(wo)街流量計在實(shí)際應用中最大(dà)的問題。

　　渦街(jiē)流量計的檢測(ce)部件利用壓電(diàn)晶片來檢測漩(xuan)渦的頻率 f，由此(ci)得到電壓信号(hào)。此電壓信号需(xū)要經過放大電(dian)路和觸發裝置(zhì)，将漩渦頻率最(zui)終變成儀器所(suǒ)能顯示的脈沖(chong)信号。此脈沖信(xìn)号再次送入轉(zhuan)換儀表裝置換(huan)算成可顯示的(de)被測流量。其中(zhong)，放大器的放大(da)倍數 A 和觸發器(qi)的門限電壓均(jun1)可以進行調整(zhěng)。如圖 3 所示。

圖 3 中輸入信号(hao)電壓爲 E，噪聲信(xin)号轉換到電壓(ya)輸入端爲 V, 門限(xian)電壓 U 通過放大(da)器輸出爲 u, 放大(dà)器的放大倍數(shù)爲 A。因 u=AU，所以改變(bian) A 或者 U 的效果是(shi)相同的[2]。
如圖 4 所(suo)示。要使得觸發(fā)器的輸出信号(hao)爲有效信号，必(bì)須使得觸發器(qi)輸入的有效信(xìn)号 u 遠大于噪聲(sheng)信号。因此，渦街(jie)流量計正常工(gong)作的必要條件(jian)是：E > u > V。

　　當渦街流(liú)量計測量低流(liu)速、小流量流體(ti)的時候，依據上(shang)述分析必須提(ti)高信噪比，盡量(liang)提高輸入流量(liang)的有效信号，降(jiàng)低機械振動産(chǎn)生的幹擾信号(hào)的幅值。因此，可(ke)以修正阻流體(tǐ)的結構形狀，使(shǐ)傳感器能更好(hǎo)地接收漩渦的(de)脈動頻率，這樣(yang)可以大幅度提(ti)高有效信号的(de)幅值[3]。另一種更(gèng)實際有效的辦(ban)法是在漩渦發(fā)生體的兩端分(fen)别安裝 1 對對稱(cheng)的壓電晶體，采(cǎi)用差動式的壓(yā)電傳感器感知(zhī)信号，并利用差(chà)動放大電路來(lái)放大信号，如圖(tu) 4 所示。由于電路(lù)中機械振動産(chǎn)生的幹擾對 2 塊(kuài)壓電晶體的作(zuò)用力是一緻的(de)，并且流體漩渦(wō)在阻流體兩側(ce)是交替産生的(de)，所以幹擾産生(sheng)的信号通過差(cha)動放大後，機械(xie)振動信号因爲(wei)相同而相互抵(di)消削減，而2 塊壓(ya)電晶體相反的(de)流量信号相加(jiā)後增強。于是，大(dà)大降低了機械(xie)振動信号的幹(gàn)擾。
4 大流量、高流(liú)速測量的限制(zhi)問題
　　通常認爲(wei)，管道裏的蒸汽(qi)流速不會超過(guò) 60m/s，在選擇流量計(ji)時，量程達到 60m/s 就(jiù)已足夠，而采用(yong)在線實時頻譜(pu)分析時發現：?80 及(jí)其以下的管線(xian)，經常出現高于(yu) 80m/s 的高流速，其中(zhōng)有近一半的出(chu)現超過 100m/s 的高流(liú)速，更有甚者，流(liu)速高達 180m/s。一般的(de)渦街流量計在(zai)流速過高時，因(yin)劇烈的漏波現(xiàn)象，出現難以估(gu)算的誤差，所以(yi)也難于判斷超(chāo)高流速的大小(xiao)。如圖 5 所示，漏波(bō)現象使流量偏(pian)小 44.3%。針對這一現(xiàn)象，采用頻譜分(fen)析＋動态濾波，改(gǎi)善信号波動，消(xiao)除“漏波”現象。

　　信(xin)号可以從時域(yu)分析，也可以從(cóng)頻域分析。時域(yù)的信号圖像，是(shì)以時間軸爲橫(héng)軸；頻域的信号(hào)圖像，是以頻率(lǜ)值作爲橫軸。信(xin)号的時域分析(xi)主要側重于信(xin)号的直觀印象(xiang)，例如信号的周(zhōu)期，信号在某一(yī)時間點的幅值(zhí)等。信号的頻域(yu)分析，是采用傅(fu)裏葉變換，将 X（t）變(biàn)換成 X（f）[4]。具體的變(biàn)換方法在這裏(lǐ)不再贅述。信号(hào)的頻譜圖表明(ming)了信号在不同(tong)頻率分量成分(fen)的大小，比時域(yu)圖像提供更具(jù)體更豐富的頻(pín)域圖像。在 PicoScope 示波(bō)器中，可以利用(yong)其頻譜分析的(de)功能來觀察信(xin)号的頻譜。
　　信号(hào)的濾波處理通(tōng)常是信号處理(li)中常用的方法(fa)。信号的濾波主(zhǔ)要是獲得自己(ji)想要的信号，并(bing)且過濾掉不符(fu)合實驗要求的(de)信号。通常有低(dī)通、高通、帶通、帶(dai)阻這幾種方式(shì)。實際應用中，通(tōng)常是設計濾波(bo)電路對電路進(jìn)行濾波。在測試(shi)測量中，往往需(xu)要的是濾掉信(xìn)号中的雜波。盡(jin)可能排除影響(xiǎng)因素，通過對傳(chuan)感器原始信号(hao)直接進行實時(shi)頻譜分析，得出(chū)超高流速時的(de)流量值。如圖 6 所(suǒ)示。

5 結束語
　　由于(yú)渦街流量計容(rong)易與數字電子(zi)設備配套使用(yong)，所以是一種比(bi)較先進、理想的(de)測量儀器。漩渦(wō)升力與流量的(de)平方呈正比、與(yu)流體的密度呈(cheng)正比。因此，當小(xiao)流量、低流速或(huo)大流量、高流速(sù)的時候，對渦街(jiē)流量計提出了(le)比較高的要求(qiu)。針對這個問題(tí)，本文做了相應(yīng)的探讨。爲了使(shi)渦街流量計盡(jìn)可能測量低流(liu)速、小流量，必須(xu)提高信噪比，采(cai)用差動壓電傳(chuan)感器和差動放(fang)大電路，盡量提(ti)高有效流量信(xin)号的幅值而降(jiàng)低機械振動幹(gàn)擾信号的幅值(zhi)。針對高流速、大(dà)流量産生漏波(bō)現象的問題，采(cai)用頻譜分析和(he)動态濾波的方(fāng)法，盡量減少漏(lòu)波現象。圖 7 爲未(wei)處理時流量計(jì)輸出的傳感器(qì)信号和放大器(qi)輸出信号。圖 7（a）上(shàng)部爲傳感器輸(shū)出的原始信号(hào)，下部爲放大器(qì)輸出信号；圖 7（b）爲(wei)展開的視圖。圖(tu) 8 爲處理後流量(liang)計輸出的傳感(gǎn)器信号和放大(dà)器輸出信号。圖(tú) 8（a）上部爲傳感器(qi)輸出的原始信(xìn)号，下部爲放大(da)器輸出信号；圖(tu) 8（b）爲展開的視圖(tu)。

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