摘要:渦街(jie)流量計 是(shi)根據渦街(jie)原理制備(bei)的測量氣(qi)體和液體(ti)流量計♍量(liang)儀器，自上(shang)世紀八十(shi)年代以來(lai)被廣泛使(shi)用，其技術(shu)也不斷進(jin)步。渦街流(liu)量😘計的旋(xuan)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jian)測元件(傳(chuan)感器)、前置(zhi)放大器、濾(lü)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(ji)術特點和(he)研究進😄展(zhan)進行了綜(zong)述。
　　渦街流(liu)量計是用(yong)于氣體、液(ye)體等流體(ti)介質的測(ce)量的常用(yong)儀器之一(yi)，其應用已(yi)經從最初(chu)的水蒸氣(qi)、水的測量(liang)擴展到生(sheng)物學、醫學(xue)、衛生、化學(xue)化工等領(ling)域。随着各(ge)‼️種相關技(ji)術等不斷(duan)提高，渦街(jie)流量計向(xiang)着高、精、尖(jian)方🙇‍♀️向發展(zhan)。
　　渦街流量(liang)計應用最(zui)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(jie)質，可以用(yong)于測📱量各(ge)類液⛹🏻‍♀️體、氣(qi)體流量，一(yi)般其不鏽(xiu)鋼旋渦發(fa)生體和封(feng)裝于不鏽(xiu)鋼體的傳(chuan)感器，能夠(gou)耐受高溫(wen)高壓，可用(yong)于液體、氣(qi)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(xing)工藝的全(quan)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(jian)，可用于腐(fu)蝕性液體(ti)和高純淨(jing)液體的流(liu)量測量。在(zai)石油化工(gong)、制藥、食品(pin)🐅和半導體(ti)工業中，渦(wo)街流量計(ji)有着廣泛(fan)📧的應用，可(ke)以準确測(ce)量的介質(zhi)包括甲醇(chun)🐪、甲醛、丙酮(tong)、甲苯、三氯(lü)乙烯、乙烯(xi)、丁烷液氨(an)、空分裝置(zhi)中液氧、液(ye)氮流量等(deng)，還有半導(dao)體工業純(chun)水、超淨純(chun)水等。
　　根據(ju)卡門(Karman)渦街(jie)原理研制(zhi)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(liu)量計🈲的特(te)點是量程(cheng)範圍大、壓(ya)力損失小(xiao)，在體積流(liu)量🔞測量時(shi)幾乎不🏃受(shou)流體密度(du)、溫度、壓力(li)、粘度等因(yin)素的🌈影響(xiang)，精度高，維(wei)護量小，可(ke)靠性高，工(gong)作溫度範(fan)圍較寬(－20～250℃)。信(xin)号輸出方(fang)式有數字(zi)脈🙇‍♀️沖信号(hao)輸出，也有(you)模拟标⭐準(zhun)信号，易于(yu)智能化、自(zi)動化控制(zhi)，是大⛹🏻‍♀️中型(xing)企業比較(jiao)先進、理想(xiang)🐆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(suo)示。

　　渦街流量(liang)計分類方(fang)法有多種(zhong)，如按照檢(jian)測方式分(fen)爲熱🔅敏🐕式(shi)、電容式、應(ying)力式、超聲(sheng)式、應變式(shi)、光電式、振(zhen)🚶動體式和(he)🔴光纖🙇‍♀️式等(deng);按傳🤟感器(qi)與轉換器(qi)組成分爲(wei)🛀一體型和(he)分離⭐型;按(an)測量原理(li)分爲質量(liang)流量計和(he)體積流量(liang)計等。本文(wen)🐕在介紹了(le)渦街流量(liang)計工作原(yuan)理的基礎(chu)上，對最近(jin)幾年來關(guan)于渦街流(liu)量計的改(gai)造現狀進(jin)行了總結(jie)述評，以期(qi)進一步推(tui)動渦街流(liu)量計發展(zhan)。
1渦街流量(liang)計的基本(ben)原理
　　渦街(jie)流量計中(zhong)卡門渦街(jie)形成基本(ben)原理如圖(tu)2所示。

　　正如圖(tu)2所示，處于(yu)流體中的(de)三角柱是(shi)旋渦發生(sheng)體，當流體(ti)從旋👉渦發(fa)生體兩側(ce)流過時，産(chan)生有規則(ze)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻交替旋(xuan)渦———卡門旋(xuan)渦，這些規(gui)則交替的(de)旋渦在旋(xuan)渦✌️發生體(ti)😍下遊非對(dui)稱地排列(lie)。旋渦的釋(shi)放頻率f與(yu)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(du)有關，可用(yong)下式表示(shi):
f=Stv/d
式中:
f———旋渦(wo)的釋放頻(pin)率，Hz
v———流過旋(xuan)渦發生體(ti)的流體平(ping)均速度，m/s
d———旋(xuan)渦發生體(ti)特征寬度(du)，m
St———斯特羅哈(ha)數，無量綱(gang)，它的數值(zhi)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(ci)，在測量過(guo)程中，要盡(jin)量滿足流(liu)體的Re在102～105，則(ze)旋渦的頻(pin)✍️率💃f=0.2v/d。
　　由此可(ke)知，通過測(ce)量旋渦頻(pin)率f即可得(de)出流過旋(xuan)渦發生體(ti)的流❌體平(ping)均速度v，再(zai)由公式q=vA即(ji)可求出流(liu)體流量q，其(qi)中A爲流體(ti)流過旋渦(wo)發生體的(de)截面積。
2渦(wo)街流量計(ji)的技術改(gai)進研究
　　渦(wo)街流量計(ji)主要由渦(wo)街傳感器(qi)和轉換器(qi)兩部分🏃‍♂️組(zu)成。其中傳(chuan)感器包括(kuo)旋渦發生(sheng)體(阻流體(ti))、檢測元件(jian)等;轉換器(qi)包✔️括前置(zhi)放大器、濾(lü)波整形電(dian)路、D/A轉換電(dian)路、輸出接(jie)口電路、端(duan)⁉️子等。因🤟此(ci)，渦街流量(liang)計的技術(shu)改進研究(jiu)也主要集(ji)中在這👣幾(ji)個方面。以(yi)下爲近幾(ji)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(wo)街流量計(ji)的重要組(zu)成部分是(shi)傳感器，其(qi)靈敏度和(he)精度都💚與(yu)傳感器直(zhi)接相關，因(yin)此，傳感器(qi)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(zhi)出流量檢(jian)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(ji)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(nei)。
　　渦街流量(liang)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(liu)量計的測(ce)定有很大(da)影響，因此(ci)🈲設計高抗(kang)幹擾的流(liu)量計是渦(wo)街流量計(ji)研究者的(de)追求。潘岚(lan)等［2］針對這(zhe)一點設計(ji)了懸浮式(shi)🧡差動傳感(gan)器(如圖3所(suo)💞示)，其設計(ji)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(shi)差動傳感(gan)器每個檢(jian)測元件使(shi)用4個壓電(dian)晶體，平闆(pan)兩側💛分别(bie)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼對稱固定(ding)了兩個✍️檢(jian)測單元，以(yi)形成差動(dong)結構。兩壓(ya)電陶瓷片(pian)之間由一(yi)金屬質量(liang)塊固定成(cheng)一個剛體(ti)👄，同時金屬(shu)質量塊作(zuo)爲壓電陶(tao)瓷的輸出(chu)電極📧，輸出(chu)檢測信号(hao)給電荷🌈放(fang)大電路，并(bing)聯的兩片(pian)🈲壓電晶體(ti)🤩使輸出的(de)渦街流量(liang)信号增大(da)，使渦街流(liu)量計輸出(chu)‼️信号⭐的信(xin)噪比得到(dao)很大提高(gao)，實驗結果(guo)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(wo)街傳感器(qi)中漩渦發(fa)生體和壓(ya)電探頭處(chu)于分離狀(zhuang)态時壓電(dian)探頭的位(wei)置對渦街(jie)信号的檢(jian)測具有比(bi)較大的影(ying)響。因此，壓(ya)電探頭位(wei)置與渦街(jie)信号幅值(zhi)、頻率之間(jian)的聯系，不(bu)同旋渦發(fa)生體，最強(qiang)渦街信号(hao)出現的位(wei)置也不同(tong)。通過在DN100和(he)DN50的水、氣介(jie)質流量标(biao)準裝置上(shang)研究發現(xian)，傳感器中(zhong)壓電探頭(tou)的最佳位(wei)置應處于(yu)發生體尾(wei)部且等于(yu)發生體寬(kuan)度處，此距(ju)離與發生(sheng)體寬度呈(cheng)線性正比(bi)關系，不随(sui)被測介質(zhi)不同而改(gai)變。這項研(yan)究對于渦(wo)街流量計(ji)傳感器的(de)改進具有(you)實用性和(he)推廣性。
　　壓(ya)電晶體渦(wo)街傳感器(qi)中采用的(de)是壓電材(cai)料受力後(hou)産🐇生🈲的💞電(dian)壓信号作(zuo)爲測試信(xin)号，但是，壓(ya)電晶體傳(chuan)感🔴器信号(hao)轉換的優(you)劣依賴于(yu)電壓或電(dian)荷放大器(qi)性能的影(ying)響。利用與(yu)壓電晶體(ti)傳感器同(tong)樣具有👣小(xiao)功率、高内(nei)阻且電荷(he)量輸出相(xiang)似特性的(de)矽光電池(chi)作爲測試(shi)電荷放大(da)器性能的(de)信号發生(sheng)器，矽光電(dian)池性能穩(wen)定、耐高溫(wen)、耐輻射✌️、轉(zhuan)換效率高(gao)和🍉頻率相(xiang)應好等優(you)點，從而保(bao)證了測試(shi)電荷放大(da)器頻率響(xiang)應特性的(de)準确性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。采(cai)用矽光電(dian)池信号發(fa)生器測得(de)的電荷放(fang)大器下限(xian)截止頻❓率(lü)(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與(yu)理論仿真(zhen)值(10.61Hz)十分接(jie)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(liu)量計有很(hen)好的實用(yong)性意義。
　　光(guang)纖光栅具(ju)有抗電磁(ci)幹擾、天然(ran)電絕緣性(xing)、抗腐蝕性(xing)和👉體積小(xiao)等優異性(xing)能，作爲流(liu)量傳感器(qi)元件具有(you)得天獨厚(hou)的條件，如(ru)檢測精度(du)高、量程比(bi)寬、介質适(shi)應性強、線(xian)性🙇‍♀️好和易(yi)于實現智(zhi)能控☁️制。李(li)紅民等［5］采(cai)用電子濾(lü)波技術把(ba)光纖光栅(shan)作爲敏感(gan)元件制作(zuo)了一種光(guang)纖光栅渦(wo)街流量傳(chuan)感器。實驗(yan)結果表🔴明(ming)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(you)很好的線(xian)性度，測量(liang)精度達🔞到(dao)±0.5%F.S。這種傳感(gan)器可以适(shi)用于高溫(wen)、強輻射、強(qiang)磁場幹擾(rao)和腐蝕‼️性(xing)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(sui)着微電子(zi)機械技術(shu)研究的不(bu)斷發展，促(cu)使流量🈲傳(chuan)感器⚽向高(gao)集成度、高(gao)精度、微型(xing)化、高準确(que)可靠性方(fang)向發展♍，适(shi)用于生物(wu)、醫藥、衛生(sheng)等微流體(ti)計量的新(xin)型微型流(liu)量傳感器(qi)💃不斷湧👉現(xian)。基于MEMS技術(shu)的流量傳(chuan)感器如熱(re)式微型、流(liu)體振動💃型(xing)、差壓型及(ji)仿生型微(wei)型流量傳(chuan)感器等不(bu)斷出現［7］。
　　基(ji)于溫差測(ce)量原理推(tui)出一種測(ce)量低流速(su)氣體流量(liang)的傳感器(qi)，該傳感器(qi)由一對集(ji)成溫度傳(chuan)感器芯片(pian)與❓片狀鉑(bo)電阻熱源(yuan)構🍓成。在低(di)于0.5cm/s的低流(liu)速下，該傳(chuan)感器仍具(ju)有數十至(zhi)🔞數百毫♈伏(fu)的輸出信(xin)号幅度，傳(chuan)感器輸出(chu)電壓與方(fang)根流速成(cheng)近似的⁉️線(xian)性關系📱，在(zai)低流速條(tiao)件下該流(liu)量傳感器(qi)具有靈敏(min)度和穩🐇定(ding)性。
　　渦街流(liu)量計有抗(kang)幹擾性能(neng)差、量程窄(zhai)等缺點問(wen)題，針對這(zhe)🧡些問題，從(cong)渦街信号(hao)的源頭加(jia)以改進，推(tui)出一種🔴抗(kang)幹🌐擾性能(neng)優異的通(tong)用渦街流(liu)量傳感器(qi)，提💔高了渦(wo)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(dian)路的信号(hao)和輸出信(xin)号過程的(de)導線進行(hang)屏蔽等，提(ti)高了渦街(jie)流量計的(de)抗幹擾性(xing)、并提高了(le)測量量程(cheng)。測☂️試證實(shi)，渦街流🔴量(liang)計💚不僅可(ke)以💋抵抗1.5g以(yi)♋下的機🛀🏻械(xie)振動幹擾(rao)，也實現了(le)大于20∶1的寬(kuan)量程比性(xing)能。

　　爲了實現(xian)對蒸汽的(de)流量、壓力(li)、溫度和質(zhi)量流量等(deng)多參數準(zhun)确✉️測量，成(cheng)功研制出(chu)集溫度傳(chuan)感器、壓力(li)✉️傳感☔器及(ji)渦街👨‍❤️‍👨流量(liang)✔️傳感☀️器于(yu)一體的蒸(zheng)汽渦街流(liu)㊙️量計(如⭐圖(tu)4所示)，其中(zhong)渦街流量(liang)傳感器采(cai)用壓電傳(chuan)🍉感器與旋(xuan)✍️渦發生體(ti)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(chuan)感器采用(yong)精度高、可(ke)靠性強、價(jia)格便宜的(de)高溫薄膜(mo)鉑電阻Pt100或(huo)Pt1000傳感器，其(qi)耐溫範圍(wei)更廣:－200～600℃，采🤟用(yong)微型獨立(li)封裝;壓力(li)傳感器采(cai)用精度高(gao)、耐溫穩定(ding)性好、密封(feng)可靠的氩(ya)弧焊封裝(zhuang)結構的高(gao)穩态壓阻(zu)式壓力傳(chuan)感器。對該(gai)渦街流量(liang)計檢定測(ce)試結果爲(wei)1級。目前，覆(fu)蓋從DN15到DN30所(suo)有口徑的(de)🐕該渦街流(liu)量計已經(jing)工業🏃‍♀️化批(pi)量生産。
　　懸(xuan)臂式渦街(jie)流量傳感(gan)器具有信(xin)号強、響應(ying)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(liang)信号測定(ding)或💋在複雜(za)的環境中(zhong)測量時其(qi)測量精度(du)會受到嚴(yan)重幹擾，爲(wei)此，通過對(dui)渦街流量(liang)傳感器進(jin)行受力分(fen)析，研究了(le)在一定力(li)下壓電片(pian)的形變量(liang)、懸臂式渦(wo)街流量傳(chuan)感器固有(you)頻率的⛱️決(jue)定因素和(he)管道振動(dong)對傳感㊙️器(qi)輸出信号(hao)的影響☀️，設(she)計了兩種(zhong)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(ming)，這兩種新(xin)型渦街流(liu)量傳感器(qi)具有更高(gao)靈敏度。
2.2渦(wo)街信号的(de)處理和轉(zhuan)換電路等(deng)的改進
　　渦(wo)街流量計(ji)信号的頻(pin)率範圍一(yi)般爲1～2500Hz，易受(shou)噪聲的幹(gan)擾，設計高(gao)精度的渦(wo)街信号處(chu)理系統，對(dui)渦街信号(hao)處理方式(shi)的改進是(shi)自動化和(he)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(dao)ADC模塊對渦(wo)街流量計(ji)傳感器信(xin)号進行采(cai)集，結合FFT周(zhou)期譜圖法(fa)對采集信(xin)号進行特(te)征分析，提(ti)取到有✂️用(yong)信号，适當(dang)♈地抑制确(que)定性噪聲(sheng)。實驗和仿(pang)真驗證了(le)設計系統(tong)抗幹擾性(xing)能強，具有(you)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(duo)級放大及(ji)濾波，并💘采(cai)用高精度(du)A/D轉換芯片(pian)，設計了高(gao)精度渦街(jie)信号處理(li)系統(系統(tong)硬件框架(jia)圖💰如圖6所(suo)示)。仿真實(shi)驗驗證，該(gai)系統具有(you)實時性強(qiang)、精度🈲高、性(xing)價比高等(deng)優點，有㊙️潛(qian)在的工業(ye)開發價值(zhi)。利用窗🍉函(han)數法設計(ji)FIR和了IIR數字(zi)濾波器對(dui)渦街流量(liang)計的輸出(chu)信号進行(hang)濾波處理(li)，濾波後的(de)波形平👌滑(hua)了很多，即(ji)将大部分(fen)的噪音🌈信(xin)号去除，以(yi)提高測定(ding)流速的🌂準(zhun)确度。

　　針對渦(wo)街流量計(ji)易被幹擾(rao)的問一種(zhong)基于MUSIC算法(fa)的渦街信(xin)㊙️号處理方(fang)法。在模拟(ni)MUSIC算法的基(ji)本原理的(de)基🏃礎上，對(dui)多種噪聲(sheng)環境下的(de)渦街信号(hao)進行仿真(zhen)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(dian)型噪聲，高(gao)精度地分(fen)辨頻率點(dian)，對改善渦(wo)街流量計(ji)的性能有(you)良好的效(xiao)果。采用經(jing)驗模态分(fen)解(EMD)方法對(dui)渦🔴街信号(hao)中幹擾噪(zao)聲進行濾(lü)除，得到真(zhen)實的渦街(jie)信号。其基(ji)本方法是(shi)🛀首先将原(yuan)始信号輸(shu)送到二階(jie)低通濾波(bo)器進行幅(fu)值歸一化(hua)，然後将歸(gui)🔅一化後的(de)信号經EMD算(suan)法分解成(cheng)噪聲分量(liang)和🔞真實渦(wo)街信号分(fen)量，最後，通(tong)過施密特(te)阈值翻轉(zhuan)法統計頻(pin)率并判别(bie)出真實的(de)渦街👅信号(hao)所在的分(fen)量，從而提(ti)取渦街信(xin)号🔱。通過⛱️仿(pang)真試驗分(fen)析，驗證該(gai)數字信号(hao)處理方法(fa)的有效性(xing)。以MSP430型單片(pian)機爲核心(xin)對智能渦(wo)街❄️流量計(ji)轉換電路(lu)進行設計(ji)與🛀🏻開發，其(qi)方法是🤞對(dui)渦街傳感(gan)器前置放(fang)大闆送出(chu)的脈沖信(xin)号進行采(cai)集處理，MSP430輸(shu)出的數🤟字(zi)信号至D/A轉(zhuan)換模塊🏃‍♀️産(chan)生标準4～20mA信(xin)号輸出。通(tong)過電路轉(zhuan)換解決了(le)以往轉換(huan)電路存在(zai)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(ji)模式的發(fa)展轉變和(he)人力資源(yuan)成本的不(bu)斷增加以(yi)及新技術(shu)的不斷湧(yong)現，大型工(gong)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(wei)常用流體(ti)✊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(shu)、光電傳感(gan)技術等用(yong)于🌈渦街流(liu)量計☎️的制(zhi)備，未來的(de)渦街流量(liang)計将㊙️更加(jia)高端、精密(mi)，用于🔞生物(wu)、醫藥、衛生(sheng)健🙇‍♀️康等行(hang)業的精細(xi)測量的渦(wo)街流量計(ji)将會得到(dao)更大的發(fa)展。

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