0 引言(yan)
　　 流量(liang)計 是(shi)指示(shi)被測(ce)流量(liang)和在(zai)選定(ding)時間(jian)間隔(ge)内流(liu)體總(zong)量的(de)儀表(biao)。流量(liang)計的(de)種類(lei)類别(bie)非常(chang)多，利(li)用的(de)測量(liang)原理(li)也各(ge)不相(xiang)同，有(you)力學(xue)原理(li)、熱學(xue)原理(li)、電學(xue)原理(li)及光(guang)學原(yuan)理等(deng)。當前(qian) , 在氣(qi)體及(ji)低粘(zhan)度液(ye)體流(liu)量計(ji)選型(xing)中 , 由(you)于孔(kong)闆流(liu)量計(ji)有悠(you)久的(de)曆史(shi)背景(jing)，各種(zhong)試驗(yan)數據(ju)齊全(quan)。結構(gou)簡單(dan)，無可(ke)動部(bu)件，标(biao)準化(hua)程度(du)高，可(ke)不必(bi)進行(hang)實流(liu)标定(ding)等優(you)點，被(bei)廣泛(fan)使用(yong)。
　　 孔闆(pan)流量(liang)計 屬(shu)于差(cha)壓式(shi)流量(liang)計，流(liu)體流(liu)過管(guan)體内(nei)的節(jie)流裝(zhuang)置，在(zai)節流(liu)裝置(zhi)周圍(wei)産生(sheng)收縮(suo)，利用(yong)壓力(li)差來(lai)測量(liang)流體(ti)流速(su)。孔闆(pan)流量(liang)計的(de)節流(liu)裝置(zhi)爲孔(kong)闆，即(ji)中央(yang)開有(you)圓孔(kong)的金(jin)屬闆(pan)，其結(jie)構如(ru)圖 1 所(suo)示。安(an)裝時(shi)将孔(kong)闆垂(chui)直放(fang)置在(zai)管道(dao)中，測(ce)取孔(kong)闆前(qian)後兩(liang)端的(de)壓力(li)差，用(yong)傳感(gan)器把(ba)感知(zhi)的壓(ya)力差(cha)轉換(huan)爲電(dian)壓量(liang)，然後(hou)與壓(ya)差計(ji)相連(lian)，即構(gou)成孔(kong)闆流(liu)量計(ji)。由于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計是(shi)通過(guo)産生(sheng)壓力(li)損失(shi)進行(hang)流量(liang)檢測(ce)，所以(yi)壓力(li)損失(shi)較大(da)，通常(chang)高達(da) 10 ～ 20kpa。由于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)流量(liang)系數(shu)與雷(lei)諾系(xi)數有(you)關，它(ta)的測(ce)量範(fan)圍比(bi)較窄(zhai)，量程(cheng)範圍(wei)一般(ban)爲 3:1 ～ 4:1，而(er)且孔(kong)闆流(liu)量計(ji)在實(shi)際應(ying)用中(zhong)，由于(yu)安裝(zhuang)複雜(za)，整個(ge)壓力(li)傳遞(di)路徑(jing)中易(yi)受到(dao)洩漏(lou)、冷凝(ning)壺及(ji)下遊(you)導壓(ya)管位(wei)置偏(pian)差、孔(kong)闆同(tong)心度(du)、垂直(zhi)度等(deng)衆多(duo)因素(su)的影(ying)響，實(shi)際精(jing)度難(nan)以确(que)定。

　　因(yin)此，爲(wei)了解(jie)決孔(kong)闆流(liu)量計(ji)在測(ce)量時(shi)存在(zai)的諸(zhu)多問(wen)題，渦(wo)街流(liu)量計(ji) 應運(yun)而生(sheng)。
1 渦街(jie)流量(liang)計的(de)優缺(que)點
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)在諸(zhu)多應(ying)用方(fang)面都(dou)優于(yu)傳統(tong)的孔(kong)闆流(liu)量計(ji)。比如(ru)，孔闆(pan)流量(liang)計 1 個(ge)測量(liang)回路(lu)靜密(mi)封點(dian)爲 20 個(ge)左右(you)。相比(bi)而言(yan)，渦街(jie)流量(liang)計的(de)靜密(mi)封點(dian)隻有(you) 3 個，不(bu)容易(yi)洩漏(lou) ，它不(bu)受流(liu)體溫(wen)度、壓(ya)力還(hai)有密(mi)度等(deng)影響(xiang)，流量(liang)系數(shu)長期(qi)不變(bian)[1]。
　　但是(shi)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)使用(yong)的時(shi)候，也(ye)存在(zai)一些(xie)問題(ti)。
1）由于(yu)渦街(jie)流量(liang)計的(de)原始(shi)信号(hao)爲頻(pin)率信(xin)号，緻(zhi)使渦(wo)街流(liu)量計(ji)實際(ji)爲一(yi)種數(shu)字式(shi)儀表(biao)。它隻(zhi)要能(neng)正常(chang)工作(zuo)，精度(du)一定(ding)有保(bao)證。但(dan)是一(yi)旦不(bu)能正(zheng)常工(gong)作，産(chan)生的(de)測量(liang)誤差(cha)将非(fei)常大(da)，甚至(zhi)連流(liu)量的(de)變化(hua)趨勢(shi)都不(bu)能指(zhi)示，徹(che)底不(bu)能工(gong)作。
2）漩(xuan)渦升(sheng)力與(yu)流量(liang)的平(ping)方呈(cheng)正比(bi)、與流(liu)體的(de)密度(du)呈正(zheng)比。因(yin)此，流(liu)量減(jian)小時(shi)，渦街(jie)信号(hao)以 2 階(jie)關系(xi)急劇(ju)減弱(ruo)，而氣(qi)體的(de)渦街(jie)信号(hao)遠低(di)于液(ye)體。在(zai)用于(yu)氣體(ti)流量(liang)檢測(ce)時，因(yin)低密(mi)度、低(di)流速(su)導緻(zhi)渦街(jie)信号(hao)微弱(ruo)，極易(yi)湮沒(mei)在幹(gan)擾之(zhi)中，流(liu)量計(ji)無法(fa)正确(que)識别(bie)出漩(xuan)渦，緻(zhi)使測(ce)量失(shi)敗。
3）由(you)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)傳感(gan)器必(bi)須敏(min)感檢(jian)測小(xiao)流量(liang)時微(wei)小的(de)渦街(jie)升力(li)，直接(jie)限制(zhi)了傳(chuan)感器(qi)的結(jie)構。針(zhen)對以(yi)上一(yi)些問(wen)題，下(xia)面将(jiang)做部(bu)分探(tan)讨。
2 渦(wo)街流(liu)量計(ji)工作(zuo)原理(li)與結(jie)構
2.1 渦(wo)街流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理
　　在(zai)日常(chang)生活(huo)中經(jing)常能(neng)看到(dao)渦街(jie)現象(xiang)，比如(ru)風中(zhong)的旗(qi)幟，由(you)于旗(qi)杆産(chan)生的(de)渦街(jie)而擺(bai)動，風(feng)越大(da)，旗幟(zhi)擺動(dong)越快(kuai)－－擺動(dong)與風(feng)速呈(cheng)正比(bi)。還有(you)橋墩(dun)、煙囪(cong)、高樓(lou)的設(she)計均(jun)需考(kao)慮渦(wo)街的(de)破壞(huai)力。
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)就是(shi)參考(kao)日常(chang)生活(huo)中渦(wo)街現(xian)象的(de)原理(li)，在管(guan)道中(zhong)插入(ru)合适(shi)大小(xiao)和形(xing)狀的(de)柱體(ti)（即渦(wo)街發(fa)生體(ti)）。當流(liu)體流(liu)過時(shi)，在渦(wo)街發(fa)生體(ti)後兩(liang)側産(chan)生交(jiao)替排(pai)列的(de)漩渦(wo)，這種(zhong)漩渦(wo)被稱(cheng)爲卡(ka)門漩(xuan)渦。漩(xuan)渦的(de)頻率(lü)與流(liu)量呈(cheng)正比(bi)。可用(yong)下式(shi)表示(shi)：

式（1）中(zhong)：f 爲漩(xuan)渦的(de)頻率(lü)；v 爲流(liu)過渦(wo)街發(fa)生體(ti)的流(liu)體的(de)平均(jun)速度(du)；d 爲渦(wo)街發(fa)生體(ti)的流(liu)面寬(kuan)度；St 爲(wei)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)（Strouhal number），數值(zhi)的範(fan)圍爲(wei) 0.14 ～ 0.27。測量(liang)時，一(yi)般假(jia)定 St=0.2。由(you)此，通(tong)過測(ce)量漩(xuan)渦的(de)頻率(lü)就可(ke)以計(ji)算出(chu)流過(guo)渦街(jie)發生(sheng)體的(de)流體(ti)平均(jun)速度(du) v，再由(you)下式(shi) ：

可以(yi)求出(chu)流量(liang) q。其中(zhong)，A 爲流(liu)體流(liu)過渦(wo)街發(fa)生體(ti)的截(jie)面積(ji)。
2.2 渦街(jie)流量(liang)計的(de)結構(gou)
　　渦街(jie)流量(liang)計的(de)基本(ben)結構(gou)爲傳(chuan)感器(qi)和轉(zhuan)換器(qi) 2 大部(bu)分。傳(chuan)感器(qi)包含(han)渦街(jie)發生(sheng)體、檢(jian)測元(yuan)件等(deng)；轉換(huan)器包(bao)含有(you)放大(da)電路(lu)、濾波(bo)整形(xing)電路(lu)以及(ji) D/A 轉換(huan)電路(lu)等；渦(wo)街發(fa)生體(ti)常見(jian)的有(you)圓柱(zhu)型、T 型(xing)柱、四(si)角柱(zhu)和三(san)角柱(zhu)。目前(qian)采用(yong)較多(duo)，反饋(kui)最好(hao)的是(shi)三角(jiao)柱型(xing)的渦(wo)街發(fa)生體(ti)。檢測(ce)元件(jian)有壓(ya)電晶(jing)片、熱(re)敏電(dian)阻、超(chao)聲波(bo)和應(ying)變片(pian)差動(dong)電容(rong)等。轉(zhuan)換器(qi)部分(fen)基本(ben)都智(zhi)能化(hua)了，把(ba)微處(chu)理器(qi)芯片(pian)都安(an)裝其(qi)中。渦(wo)街流(liu)量可(ke)直接(jie)在管(guan)道上(shang)安裝(zhuang)、互換(huan)性強(qiang)、體積(ji)小、長(zhang)期運(yun)行精(jing)度高(gao)，可适(shi)用于(yu)大多(duo)數液(ye)體、蒸(zheng)汽和(he)氣體(ti)的測(ce)量。3 小(xiao)流量(liang)、低流(liu)速測(ce)量的(de)限制(zhi)問題(ti)。
　　基于(yu)渦街(jie)流量(liang)計的(de)原理(li)，流量(liang)信号(hao)的強(qiang)度與(yu)流量(liang)的平(ping)方成(cheng)正比(bi)，即流(liu)速降(jiang)低時(shi)，渦街(jie)信号(hao)将以(yi)平方(fang)關系(xi)急劇(ju)下降(jiang)。圖 2 顯(xian)示流(liu)量由(you)零增(zeng)大時(shi)，渦街(jie)信号(hao)的波(bo)形記(ji)錄。在(zai)相同(tong)條件(jian)之下(xia)，1m/s 流速(su)的氣(qi)體産(chan)生的(de)漩渦(wo)力僅(jin)是 5m/s 流(liu)速時(shi)的 1/25。爲(wei)保證(zheng)小流(liu)量的(de)檢測(ce)，必須(xu)具備(bei)極高(gao)的漩(xuan)渦振(zhen)動檢(jian)測靈(ling)敏度(du)，将流(liu)量信(xin)号放(fang)大千(qian)倍，由(you)此導(dao)緻渦(wo)街流(liu)量計(ji)對于(yu)蒸汽(qi)管道(dao)的振(zhen)動極(ji)爲敏(min)感，無(wu)流量(liang)時指(zhi)示的(de)實際(ji)爲振(zhen)動幹(gan)擾信(xin)号，這(zhe)是渦(wo)街流(liu)量計(ji)在實(shi)際應(ying)用中(zhong)最大(da)的問(wen)題。

　　渦街(jie)流量(liang)計的(de)檢測(ce)部件(jian)利用(yong)壓電(dian)晶片(pian)來檢(jian)測漩(xuan)渦的(de)頻率(lü) f，由此(ci)得到(dao)電壓(ya)信号(hao)。此電(dian)壓信(xin)号需(xu)要經(jing)過放(fang)大電(dian)路和(he)觸發(fa)裝置(zhi)，将漩(xuan)渦頻(pin)率最(zui)終變(bian)成儀(yi)器所(suo)能顯(xian)示的(de)脈沖(chong)信号(hao)。此脈(mo)沖信(xin)号再(zai)次送(song)入轉(zhuan)換儀(yi)表裝(zhuang)置換(huan)算成(cheng)可顯(xian)示的(de)被測(ce)流量(liang)。其中(zhong)，放大(da)器的(de)放大(da)倍數(shu) A 和觸(chu)發器(qi)的門(men)限電(dian)壓均(jun)可以(yi)進行(hang)調整(zheng)。如圖(tu) 3 所示(shi)。

圖 3 中(zhong)輸入(ru)信号(hao)電壓(ya)爲 E，噪(zao)聲信(xin)号轉(zhuan)換到(dao)電壓(ya)輸入(ru)端爲(wei) V, 門限(xian)電壓(ya) U 通過(guo)放大(da)器輸(shu)出爲(wei) u, 放大(da)器的(de)放大(da)倍數(shu)爲 A。因(yin) u=AU，所以(yi)改變(bian) A 或者(zhe) U 的效(xiao)果是(shi)相同(tong)的[2]。
如(ru)圖 4 所(suo)示。要(yao)使得(de)觸發(fa)器的(de)輸出(chu)信号(hao)爲有(you)效信(xin)号，必(bi)須使(shi)得觸(chu)發器(qi)輸入(ru)的有(you)效信(xin)号 u 遠(yuan)大于(yu)噪聲(sheng)信号(hao)。因此(ci)，渦街(jie)流量(liang)計正(zheng)常工(gong)作的(de)必要(yao)條件(jian)是：E > u > V。

　　當渦(wo)街流(liu)量計(ji)測量(liang)低流(liu)速、小(xiao)流量(liang)流體(ti)的時(shi)候，依(yi)據上(shang)述分(fen)析必(bi)須提(ti)高信(xin)噪比(bi)，盡量(liang)提高(gao)輸入(ru)流量(liang)的有(you)效信(xin)号，降(jiang)低機(ji)械振(zhen)動産(chan)生的(de)幹擾(rao)信号(hao)的幅(fu)值。因(yin)此，可(ke)以修(xiu)正阻(zu)流體(ti)的結(jie)構形(xing)狀，使(shi)傳感(gan)器能(neng)更好(hao)地接(jie)收漩(xuan)渦的(de)脈動(dong)頻率(lü)，這樣(yang)可以(yi)大幅(fu)度提(ti)高有(you)效信(xin)号的(de)幅值(zhi)[3]。另一(yi)種更(geng)實際(ji)有效(xiao)的辦(ban)法是(shi)在漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)的兩(liang)端分(fen)别安(an)裝 1 對(dui)對稱(cheng)的壓(ya)電晶(jing)體，采(cai)用差(cha)動式(shi)的壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)感知(zhi)信号(hao)，并利(li)用差(cha)動放(fang)大電(dian)路來(lai)放大(da)信号(hao)，如圖(tu) 4 所示(shi)。由于(yu)電路(lu)中機(ji)械振(zhen)動産(chan)生的(de)幹擾(rao)對 2 塊(kuai)壓電(dian)晶體(ti)的作(zuo)用力(li)是一(yi)緻的(de)，并且(qie)流體(ti)漩渦(wo)在阻(zu)流體(ti)兩側(ce)是交(jiao)替産(chan)生的(de)，所以(yi)幹擾(rao)産生(sheng)的信(xin)号通(tong)過差(cha)動放(fang)大後(hou)，機械(xie)振動(dong)信号(hao)因爲(wei)相同(tong)而相(xiang)互抵(di)消削(xue)減，而(er)2 塊壓(ya)電晶(jing)體相(xiang)反的(de)流量(liang)信号(hao)相加(jia)後增(zeng)強。于(yu)是，大(da)大降(jiang)低了(le)機械(xie)振動(dong)信号(hao)的幹(gan)擾。
4 大(da)流量(liang)、高流(liu)速測(ce)量的(de)限制(zhi)問題(ti)
　　通常(chang)認爲(wei)，管道(dao)裏的(de)蒸汽(qi)流速(su)不會(hui)超過(guo) 60m/s，在選(xuan)擇流(liu)量計(ji)時，量(liang)程達(da)到 60m/s 就(jiu)已足(zu)夠，而(er)采用(yong)在線(xian)實時(shi)頻譜(pu)分析(xi)時發(fa)現：?80 及(ji)其以(yi)下的(de)管線(xian)，經常(chang)出現(xian)高于(yu) 80m/s 的高(gao)流速(su)，其中(zhong)有近(jin)一半(ban)的出(chu)現超(chao)過 100m/s 的(de)高流(liu)速，更(geng)有甚(shen)者，流(liu)速高(gao)達 180m/s。一(yi)般的(de)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)流速(su)過高(gao)時，因(yin)劇烈(lie)的漏(lou)波現(xian)象，出(chu)現難(nan)以估(gu)算的(de)誤差(cha)，所以(yi)也難(nan)于判(pan)斷超(chao)高流(liu)速的(de)大小(xiao)。如圖(tu) 5 所示(shi)，漏波(bo)現象(xiang)使流(liu)量偏(pian)小 44.3%。針(zhen)對這(zhe)一現(xian)象，采(cai)用頻(pin)譜分(fen)析＋動(dong)态濾(lü)波，改(gai)善信(xin)号波(bo)動，消(xiao)除“漏(lou)波”現(xian)象。

　　信(xin)号可(ke)以從(cong)時域(yu)分析(xi)，也可(ke)以從(cong)頻域(yu)分析(xi)。時域(yu)的信(xin)号圖(tu)像，是(shi)以時(shi)間軸(zhou)爲橫(heng)軸；頻(pin)域的(de)信号(hao)圖像(xiang)，是以(yi)頻率(lü)值作(zuo)爲橫(heng)軸。信(xin)号的(de)時域(yu)分析(xi)主要(yao)側重(zhong)于信(xin)号的(de)直觀(guan)印象(xiang)，例如(ru)信号(hao)的周(zhou)期，信(xin)号在(zai)某一(yi)時間(jian)點的(de)幅值(zhi)等。信(xin)号的(de)頻域(yu)分析(xi)，是采(cai)用傅(fu)裏葉(ye)變換(huan)，将 X（t）變(bian)換成(cheng) X（f）[4]。具體(ti)的變(bian)換方(fang)法在(zai)這裏(li)不再(zai)贅述(shu)。信号(hao)的頻(pin)譜圖(tu)表明(ming)了信(xin)号在(zai)不同(tong)頻率(lü)分量(liang)成分(fen)的大(da)小，比(bi)時域(yu)圖像(xiang)提供(gong)更具(ju)體更(geng)豐富(fu)的頻(pin)域圖(tu)像。在(zai) PicoScope 示波(bo)器中(zhong)，可以(yi)利用(yong)其頻(pin)譜分(fen)析的(de)功能(neng)來觀(guan)察信(xin)号的(de)頻譜(pu)。
　　信号(hao)的濾(lü)波處(chu)理通(tong)常是(shi)信号(hao)處理(li)中常(chang)用的(de)方法(fa)。信号(hao)的濾(lü)波主(zhu)要是(shi)獲得(de)自己(ji)想要(yao)的信(xin)号，并(bing)且過(guo)濾掉(diao)不符(fu)合實(shi)驗要(yao)求的(de)信号(hao)。通常(chang)有低(di)通、高(gao)通、帶(dai)通、帶(dai)阻這(zhe)幾種(zhong)方式(shi)。實際(ji)應用(yong)中，通(tong)常是(shi)設計(ji)濾波(bo)電路(lu)對電(dian)路進(jin)行濾(lü)波。在(zai)測試(shi)測量(liang)中，往(wang)往需(xu)要的(de)是濾(lü)掉信(xin)号中(zhong)的雜(za)波。盡(jin)可能(neng)排除(chu)影響(xiang)因素(su)，通過(guo)對傳(chuan)感器(qi)原始(shi)信号(hao)直接(jie)進行(hang)實時(shi)頻譜(pu)分析(xi)，得出(chu)超高(gao)流速(su)時的(de)流量(liang)值。如(ru)圖 6 所(suo)示。

5 結(jie)束語(yu)
　　由于(yu)渦街(jie)流量(liang)計容(rong)易與(yu)數字(zi)電子(zi)設備(bei)配套(tao)使用(yong)，所以(yi)是一(yi)種比(bi)較先(xian)進、理(li)想的(de)測量(liang)儀器(qi)。漩渦(wo)升力(li)與流(liu)量的(de)平方(fang)呈正(zheng)比、與(yu)流體(ti)的密(mi)度呈(cheng)正比(bi)。因此(ci)，當小(xiao)流量(liang)、低流(liu)速或(huo)大流(liu)量、高(gao)流速(su)的時(shi)候，對(dui)渦街(jie)流量(liang)計提(ti)出了(le)比較(jiao)高的(de)要求(qiu)。針對(dui)這個(ge)問題(ti)，本文(wen)做了(le)相應(ying)的探(tan)讨。爲(wei)了使(shi)渦街(jie)流量(liang)計盡(jin)可能(neng)測量(liang)低流(liu)速、小(xiao)流量(liang)，必須(xu)提高(gao)信噪(zao)比，采(cai)用差(cha)動壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)和差(cha)動放(fang)大電(dian)路，盡(jin)量提(ti)高有(you)效流(liu)量信(xin)号的(de)幅值(zhi)而降(jiang)低機(ji)械振(zhen)動幹(gan)擾信(xin)号的(de)幅值(zhi)。針對(dui)高流(liu)速、大(da)流量(liang)産生(sheng)漏波(bo)現象(xiang)的問(wen)題，采(cai)用頻(pin)譜分(fen)析和(he)動态(tai)濾波(bo)的方(fang)法，盡(jin)量減(jian)少漏(lou)波現(xian)象。圖(tu) 7 爲未(wei)處理(li)時流(liu)量計(ji)輸出(chu)的傳(chuan)感器(qi)信号(hao)和放(fang)大器(qi)輸出(chu)信号(hao)。圖 7（a）上(shang)部爲(wei)傳感(gan)器輸(shu)出的(de)原始(shi)信号(hao)，下部(bu)爲放(fang)大器(qi)輸出(chu)信号(hao)；圖 7（b）爲(wei)展開(kai)的視(shi)圖。圖(tu) 8 爲處(chu)理後(hou)流量(liang)計輸(shu)出的(de)傳感(gan)器信(xin)号和(he)放大(da)器輸(shu)出信(xin)号。圖(tu) 8（a）上部(bu)爲傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)的原(yuan)始信(xin)号，下(xia)部爲(wei)放大(da)器輸(shu)出信(xin)号；圖(tu) 8（b）爲展(zhan)開的(de)視圖(tu)。

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