摘要:渦(wō)街流量計 是(shi)根據渦街原(yuán)理制備的測(cè)量氣體和液(yè)體流量計✉️量(liàng)🤩儀器，自上世(shì)紀八十年代(dài)以來被廣泛(fan)使用，其技🔆術(shù)也不斷進步(bu)。渦街流量計(ji)的旋渦發生(sheng)體(阻流體)、檢(jian)測元🐆件(傳感(gǎn)器)、前置放大(da)器、濾波整形(xíng)電路、D/A轉換電(diàn)路、輸出🌈接口(kǒu)電路等方面(mian)的技術特點(dian)和研究進展(zhǎn)進行了綜🈚述(shù)。
　　渦街流量計(jì)是用于氣體(ti)、液體等流體(tǐ)介質的測量(liang)的常用儀器(qì)之一，其應用(yòng)已經從最初(chū)的水蒸氣、水(shui)🤩的測量擴展(zhan)到生物🔴學、醫(yi)學、衛生、化學(xue)化工等領域(yù)。随着各種相(xiàng)關💁技術等不(bú)斷提高，渦街(jiē)流量計向着(zhe)🈲高、精、尖方🆚向(xiang)發展。
　　渦街流(liú)量計應用最(zui)多的領域是(shi)石油化工企(qǐ)業，由于㊙️其🌈傳(chuán)感部件可以(yi)不直接接觸(chù)被測介質，可(kě)以用于測量(liàng)各類液體、氣(qì)體流量，一般(ban)其不鏽鋼旋(xuan)渦發生體和(hé)封裝于⁉️不鏽(xiù)鋼體的傳感(gan)器，能夠耐受(shou)高溫高壓，可(ke)用于液體、氣(qì)體、蒸汽測量(liang)。現在也有推(tuī)出管徑小于(yú)25mm以下的采用(yong)模壓成型工(gōng)藝的🔞全塑料(liào)産品渦街流(liú)量傳感器，配(pèi)置非接觸的(de)超聲波檢測(ce)元件，可用于(yú)腐蝕性液體(ti)和高🙇‍♀️純淨液(ye)體的流量測(ce)量。在石油化(hua)工、制藥、食品(pin)和半導體工(gōng)業中，渦街流(liu)量計有着廣(guǎng)泛的應用，可(ke)以🔞準确測量(liàng)的介質包括(kuo)甲醇、甲醛、丙(bing)酮、甲苯、三氯(lü)乙烯、乙烯、丁(dīng)烷液氨、空分(fen)裝置中液氧(yang)、液氮流量等(děng)，還有半導體(tǐ)工業純水、超(chāo)淨純水等。
　　根(gen)據卡門(Karman)渦街(jiē)原理研制的(de)渦街流量計(jì)主要用于工(gong)業⚽管道介質(zhì)流體如氣體(tǐ)、液體等的流(liu)量測量。渦街(jiē)流量計的特(te)點是☀️量程範(fan)圍大、壓力損(sun)失小，在體積(ji)流量🔴測量時(shi)幾乎不受流(liu)體密度、溫度(dù)、壓力、粘度等(deng)因素的影響(xiǎng)，精度高，維護(hu)量小，可靠性(xing)高，工作溫🍓度(du)範圍較寬☀️(－20～250℃)。信(xìn)号輸出方式(shì)有數字脈沖(chong)信号輸出，也(yě)有模拟标準(zhun)信号，易于智(zhi)能化、自動化(hua)控制🌐，是大🐕中(zhong)型企業比較(jiào)先進、理想的(de)介質流量測(cè)量儀器。常👈見(jiàn)的渦街流量(liang)計如圖1所示(shì)。

　　渦街流(liu)量計分類方(fāng)法有多種，如(rú)按照檢測方(fāng)式分🌈爲熱敏(min)式、電容式、應(ying)力式、超聲式(shì)、應變式、光電(diàn)式、振動體式(shi)和光纖式等(deng)✉️;按傳感器與(yu)轉換器組成(chéng)分爲一體型(xing)和分離👉型;按(àn)測量原理分(fen)爲質量流量(liang)計和體積流(liú)量計等。本文(wen)在介紹了渦(wō)街流量🚶計工(gōng)作原⁉️理的基(ji)礎上🏃‍♂️，對最近(jin)幾年來關于(yu)渦街流量計(jì)的改造現狀(zhuàng)進行了總結(jie)述評，以期進(jìn)一步推動渦(wō)街流🆚量計發(fā)展☀️。
1渦街流量(liang)計的基本原(yuan)理
　　渦街流量(liàng)計中卡門渦(wō)街形成基本(ben)原理如圖2所(suǒ)示。

　　正如圖2所(suo)示，處于流體(tǐ)中的三角柱(zhu)是旋渦發生(shēng)體，當流體從(cóng)旋渦發生體(tǐ)兩側流過時(shi)，産生有規則(ze)的交替旋渦(wō)———卡門旋渦，這(zhè)些💰規則交替(tì)的旋渦在旋(xuan)渦發生體下(xia)遊非對稱地(di)排列。旋渦的(de)釋放頻率f與(yu)流過旋渦發(fa)生體的流體(tǐ)平均速度及(jí)旋渦發生體(ti)特🔞征寬度有(you)關，可用下式(shi)表⭐示:
f=Stv/d
式中:
f———旋(xuán)渦的釋放頻(pín)率，Hz
v———流過旋渦(wo)發生體的流(liu)體平均速度(du)，m/s
d———旋渦發生體(tǐ)特征寬度，m
St———斯(si)特羅哈數，無(wú)量綱，它的數(shù)值範圍爲0.14～0.27
St———雷(léi)諾數Re的函數(shu)，當Re在102～105範圍内(nèi)，St值大約爲0.2
因(yin)此，在測量過(guo)程中，要盡量(liàng)滿足流體的(de)Re在102～105，則旋渦的(de)☂️頻率f=0.2v/d。
　　由此可(kě)知，通過測量(liang)旋渦頻率f即(jí)可得出流過(guo)旋渦發生體(tǐ)的流體平均(jun)速度v，再由公(gōng)式q=vA即可求出(chū)流體流量👄q，其(qí)中A爲流體流(liú)過旋♊渦發生(sheng)體的截面積(ji)。
2渦街流量計(jì)的技術改進(jin)研究
　　渦街流(liú)量計主要由(you)渦街傳感器(qi)和轉換器兩(liǎng)部分組成。其(qi)中傳感器包(bao)括旋渦發生(sheng)體(阻流體)、檢(jian)測元件等;轉(zhuǎn)換器包括前(qián)置放大器、濾(lǜ)波整形電路(lu)、D/A轉換電路、輸(shū)🈲出接口電路(lu)、端💞子等。因此(ci)，渦街流量計(jì)的技☔術改進(jìn)研究也主要(yao)集中在這幾(ji)個方面。以下(xia)爲近🈲幾年來(lái)渦街流量計(jì)技術改進的(de)現狀😘。
2.1傳感器(qi)改進
　　渦街流(liú)量計的重要(yao)組成部分是(shì)傳感器，其靈(líng)敏度和精☎️度(dù)👅都與傳感器(qì)直接相關，因(yīn)此，傳感器的(de)改進是渦街(jiē)流量計改進(jìn)的重點研究(jiu)課題之一。蔡(cài)武昌［1］指出流(liú)量檢測儀表(biao)的關鍵問題(tí)之一是傳感(gǎn)器的設計，其(qi)預測流量計(jì)技術改進的(de)一個重要方(fang)面是傳感器(qì)結構設計中(zhōng)應該将溫度(dù)、壓力💃、管徑等(děng)參數⛷️集合到(dào)流量傳感器(qi)内。
　　渦街流量(liàng)計的缺點是(shì)抗幹擾性能(neng)差，震動、強電(diàn)磁🧡場、高溫環(huan)境因素等對(dui)渦街流量計(jì)的測定有很(hen)大影響，因此(cǐ)設計高抗幹(gan)擾🎯的流量計(ji)是渦街流量(liàng)計研究者的(de)追求。潘岚等(děng)［2］針對這一點(diǎn)設計了懸浮(fú)式🤩差動傳感(gǎn)器(如圖3所示(shì))，其設計原理(lǐ)爲，懸🈲浮式差(cha)動💚傳感器B位(wèi)于漩渦發生(sheng)體的後面，懸(xuan)浮式差動傳(chuan)感器每個檢(jian)測元📐件使用(yòng)4個壓電晶體(tǐ)，平闆兩側分(fen)别對稱固定(dìng)了兩個檢測(ce)單元，以形成(chéng)差動結構。兩(liǎng)壓電陶瓷片(piàn)之間由一金(jīn)屬質量塊固(gù)定成一個剛(gang)體，同時金屬(shǔ)質量塊作爲(wèi)壓電陶瓷的(de)輸出電極，輸(shū)出🍓檢測信号(hao)給電荷放大(dà)電路，并聯的(de)兩片壓電晶(jīng)體🎯使輸出的(de)渦街流量信(xin)号增大，使渦(wo)街流量計輸(shū)出信号的信(xin)噪比得到很(hen)大提高，實驗(yàn)結果表明，安(ān)裝懸浮式差(cha)動傳感器的(de)渦街流量計(jì)抗幹擾性能(neng)顯著改善。

　　當(dang)渦街傳感器(qi)中漩渦發生(shēng)體和壓電探(tàn)頭處于分離(lí)狀态時壓電(dian)探頭的位置(zhi)對渦街信号(hao)的檢測具有(yǒu)比較大的影(ying)響。因此，壓電(dian)探頭位置與(yu)渦街信号幅(fu)值、頻率之間(jiān)的聯系，不同(tóng)旋渦發生體(tǐ)，最強渦街信(xin)号出現的位(wei)置也不同。通(tōng)過在DN100和DN50的水(shuǐ)、氣介質流量(liang)标準裝置上(shàng)研究發現，傳(chuán)感器中壓電(diàn)探頭的最佳(jiā)位置應處于(yú)發生體尾部(bù)且等于發生(shēng)體寬度處，此(cǐ)距離與發生(shēng)體寬度呈線(xian)性正比關系(xì)，不随被測介(jie)質不同而改(gai)變。這項研究(jiu)對于渦街流(liu)量計傳感器(qi)的改進具有(you)實用性和推(tuī)廣性。
　　壓電晶(jing)體渦街傳感(gǎn)器中采用的(de)是壓電材料(liao)受力後産生(sheng)的🔱電壓信号(hào)作爲測試信(xìn)号，但是，壓電(dian)晶體傳感器(qi)信号轉換的(de)優劣依賴于(yu)電壓或電荷(hé)放大器性能(néng)⭕的影響。利用(yòng)與⭐壓電晶體(tǐ)傳感😍器同樣(yang)具有🛀小功率(lü)、高🐪内阻且電(diàn)🔞荷量輸出相(xiang)似特性的矽(xī)光電💋池作爲(wèi)測試電荷放(fàng)大器性能的(de)信号發生器(qi)，矽光電池性(xing)能穩🤞定、耐高(gao)溫、耐輻射、轉(zhuan)換效率高和(hé)🍓頻率相應好(hao)等優點，從而(ér)保證了測試(shi)電荷放大器(qì)頻率響應特(tè)性的準确性(xing)🐇。采用矽光電(dian)池信号😄發生(sheng)器測得的電(dian)荷放大器下(xià)限🙇🏻截止頻率(lü)(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與理(li)論仿真值(10.61Hz)十(shí)分接近，而采(cai)用壓電信号(hào)發生器時測(cè)得的fL2爲12Hz，這對(dui)壓電式渦街(jiē)流量計有很(hen)好的實用性(xing)意義💁。
　　光纖光(guāng)栅具有抗電(diàn)磁幹擾、天然(rán)電絕緣性、抗(kang)腐蝕性和體(ti)積小♉等優異(yi)性能，作爲流(liu)量傳感器元(yuán)件具🈲有得天(tian)獨厚的條件(jian)⁉️，如檢測精度(du)高、量程比寬(kuān)、介質适應性(xing)🔱強、線性好和(hé)易于實現智(zhì)能控制。李紅(hóng)民等［5］采用電(diàn)子濾波技術(shu)把光纖光栅(shān)作爲敏感元(yuán)件制作了一(yī)種光💰纖光栅(shān)渦街流量傳(chuán)感器。實驗結(jié)果表明光纖(xian)光栅渦街流(liu)量傳感器的(de)量程達到可(kě)以達到25L/min，線性(xìng)誤🔞差僅爲0.42%，具(ju)有很好的線(xian)性度，測量精(jing)度達到±0.5%F.S。這種(zhong)傳感器可以(yi)适用于高溫(wen)、強輻射、強磁(ci)場幹擾和腐(fǔ)蝕性環境如(rú)化學化工、礦(kuàng)山、核電等領(lǐng)域内各種氣(qi)體和液體流(liú)量的測量。
　　随(suí)着微電子機(ji)械技術研究(jiu)的不斷發展(zhǎn)，促使流量傳(chuán)感♍器向高🔞集(jí)成度、高精度(dù)、微型化、高準(zhǔn)确可靠性方(fang)向發展，适用(yòng)于生物、醫藥(yao)、衛生等微流(liu)體計量的新(xīn)型微型流量(liang)😄傳感器不斷(duan)湧👄現。基于MEMS技(ji)術的流量傳(chuan)感器如熱式(shi)微型、流體振(zhèn)動型、差壓型(xíng)及仿生型微(wei)型流量傳感(gǎn)器等不斷出(chu)現［7］。
　　基于溫差(chà)測量原理推(tui)出一種測量(liàng)低流速氣體(tǐ)流量的傳感(gǎn)器，該傳感器(qì)由一對集成(chéng)溫度傳感器(qi)芯片與片狀(zhuàng)鉑電阻熱源(yuan)構成。在低于(yú)0.5cm/s的低流速下(xia)，該傳感器仍(reng)具有數十至(zhì)🌂數百毫伏的(de)輸出信号幅(fú)度，傳感器輸(shu)🤞出電壓與💁方(fang)根流速成近(jìn)似的線性關(guān)系，在低流速(su)條🔴件下該流(liú)量🐕傳感器具(jù)有靈敏度和(he)穩定性。
　　渦街(jie)流量計有抗(kàng)幹擾性能差(chà)、量程窄等缺(quē)點問題，針對(dui)😍這些問題，從(cóng)渦街信号的(de)源頭加以改(gǎi)進，推出📧一種(zhong)抗幹擾性能(neng)優⭐異的通用(yòng)渦街流量傳(chuán)感器，提高了(le)渦🔱街信号的(de)信噪比和靈(líng)敏度，同時加(jiā)強保護措施(shi)，如對初級信(xin)号處理電路(lù)的信号和輸(shu)出信号☔過程(chéng)的導線進行(hang)屏蔽等，提高(gāo)了渦街流量(liang)計的抗幹擾(rao)性、并提高了(le)測量量程。測(cè)☁️試證實，渦街(jie)流量計不僅(jin)可以抵抗1.5g以(yǐ)❤️下的機械振(zhèn)動幹擾，也實(shi)現了大于20∶1的(de)寬量程比性(xing)能。

　　爲了(le)實現對蒸汽(qi)的流量、壓力(lì)、溫度和質量(liàng)流量等多參(cān)數準确測量(liang)，成功研制出(chū)集溫度傳感(gan)器、壓力傳感(gan)器及渦街🌏流(liú)量傳感器于(yú)一體的蒸汽(qi)渦街流量計(jì)(如圖4所示)，其(qí)中渦街流量(liang)傳感器采用(yòng)壓電傳感器(qi)與旋渦發生(sheng)體分離結構(gou)的壓電式通(tong)用渦街流量(liang)傳感器(如圖(tú)5所示)，溫度傳(chuan)感器采用精(jīng)度高、可🌐靠性(xìng)強、價格便宜(yí)的高溫薄膜(mó)鉑電阻Pt100或Pt1000傳(chuán)感🈲器，其耐溫(wen)範圍更廣:－200～600℃，采(cai)♈用微型獨立(li)封裝;壓力傳(chuan)感器采用🐪精(jīng)度高、耐溫穩(wen)定🤟性好、密封(feng)可靠的氩🤟弧(hú)焊封裝結構(gòu)的高穩态壓(yā)阻式壓力傳(chuan)感器。對該渦(wō)街♉流量⁉️計檢(jian)定測試結果(guo)🌈爲1級。目前，覆(fù)蓋從DN15到DN30所有(you)口徑的該渦(wō)街流量🌈計已(yǐ)經工業化批(pī)量生産。
　　懸臂(bi)式渦街流量(liang)傳感器具有(yǒu)信号強、響應(ying)快、工藝😘好、制(zhì)🌐作成本😄低等(děng)優點，但是它(tā)的固有頻率(lǜ)普遍較😄低，對(dui)大流量信号(hào)測定或在複(fú)雜的環境中(zhōng)測量時其測(cè)量精度會受(shòu)到嚴重幹擾(rǎo)，爲此，通🔱過對(dui)渦街流量傳(chuan)感器進行受(shòu)力分析，研究(jiu)了在一定力(li)下壓電🔱片的(de)形變量、懸臂(bì)式渦街❗流量(liang)傳感器固有(you)頻率的決定(ding)因素和管道(dao)振動對傳感(gan)器輸出信号(hao)的🥵影響，設計(ji)了兩種新型(xing)的、具有較好(hǎo)的抗管道振(zhèn)動能力的抗(kang)振懸臂梁渦(wo)街流量傳感(gǎn)器，實驗表明(míng)，這兩種新型(xíng)渦街流量傳(chuan)感器具有更(gèng)高靈敏度。
2.2渦(wō)街信号的處(chu)理和轉換電(diàn)路等的改進(jìn)
　　渦街流量計(jì)信号的頻率(lǜ)範圍一般爲(wèi)1～2500Hz，易受噪聲的(de)幹擾，設計高(gao)🔴精度的渦街(jiē)信号處理系(xì)統，對渦街信(xìn)号處理方式(shì)的改進是自(zi)動化和儀器(qì)儀表等學術(shu)界的熱點之(zhi)一。以TMS320F2812芯片爲(wei)核心控制器(qi)，利用2812DSP的l2位16通(tōng)道ADC模塊對渦(wō)街流量🌈計傳(chuán)感器信号進(jin)行🌈采集，結合(he)✊FFT周期譜圖法(fa)❓對采集信号(hào)💋進行特征分(fen)析，提取到有(yǒu)✨用信号，适當(dang)🙇‍♀️地抑制确定(ding)性噪聲。實驗(yan)和仿真驗證(zheng)了設計系統(tǒng)抗幹擾性能(neng)強，具有可行(háng)性和正确性(xing)。以TMS320LF2407ADSP微處理器(qì)爲核心，通過(guò)前端多級放(fang)大😄及濾波，并(bìng)采用高精度(dù)A/D轉換芯片，設(shè)計了高精度(du)渦街信号處(chù)理系統(系統(tǒng)硬件框架圖(tú)如圖6所示)。仿(páng)真實驗驗證(zhèng)，該系統具有(yǒu)實時性強、精(jing)❗度高、性價比(bǐ)高等優點，有(yǒu)潛在的工業(yè)開發價值。利(lì)用窗函數法(fǎ)設計FIR和了IIR數(shu)字濾波器對(dui)渦街流量計(ji)的輸出❓信号(hao)進🈲行濾波處(chu)理，濾波後的(de)波🏃🏻‍♂️形平滑了(le)很多，即将大(da)部分的噪音(yin)❌信号去除，以(yǐ)提高測定流(liu)速的👄準确度(du)✂️。

　　針(zhēn)對渦街流量(liàng)計易被幹擾(rao)的問一種基(ji)于MUSIC算法的渦(wō)街信号處理(li)方法。在模拟(nǐ)MUSIC算法的基本(běn)原理的基礎(chu)上，對多種噪(zào)聲環境下的(de)渦街信号進(jìn)行仿真驗🍓證(zheng)。仿真驗證結(jie)果表明:MUSIC算法(fa)可以有效地(dì)濾除典型噪(zào)聲，高精🌈度地(dì)分辨頻率點(diǎn)，對改善渦街(jie)流量計的性(xing)能有良好的(de)效果。采用⚽經(jing)驗模态分解(jiě)(EMD)方法對渦♋街(jiē)信号中幹擾(rǎo)噪聲進行濾(lǜ)除🈲，得到真實(shi)的渦街信号(hào)。其基本方法(fǎ)是⭕首先将原(yuán)始信号輸送(sòng)到二階低通(tōng)濾波器進行(hang)幅值歸一化(huà)，然後将歸一(yī)化後的信号(hao)經EMD算法分解(jiě)成噪聲分量(liàng)和真實渦街(jie)信号分量，最(zui)後，通過施密(mì)特阈值翻轉(zhuan)法統計頻率(lü)✌️并判别出真(zhen)實的渦街信(xìn)号所在的分(fen)量，從而提取(qu)渦街信号。通(tong)過仿真試驗(yàn)分析，驗證該(gāi)數字信号處(chu)理方法的有(yǒu)效性。以MSP430型單(dān)片機爲核心(xīn)對智能渦街(jiē)流量計轉換(huan)電路進行設(she)計與開發，其(qí)方法是對渦(wō)街傳感器前(qian)置放大闆送(sòng)出的脈沖信(xin)号進行采集(jí)處理，MSP430輸出🌈的(de)數字信号🔱至(zhi)D/A轉換模塊産(chan)生标準4～20mA信号(hao)輸出。通過電(diàn)路轉換解✊決(jué)了以往轉換(huàn)電路存在的(de)功耗大、性❤️能(néng)不穩定等問(wen)題。
3結語
　　随着(zhe)我國經濟模(mo)式的發展轉(zhuan)變和人力資(zi)源成本👅的不(bu)斷增加以及(jí)新技術的不(bú)斷湧現，大型(xing)工業企業要(yao)求生産設備(bèi)的自動化、智(zhi)能化程度越(yue)來越高，作爲(wèi)常用流體介(jie)質的計量設(she)備———渦街流量(liang)計也迎來了(le)技術改進的(de)最佳時機，如(ru)光纖光栅👣傳(chuan)感技術、超聲(shēng)傳感技術、光(guāng)電傳感技術(shù)等用于渦街(jiē)流量計😍的制(zhì)備，未來🐆的♈渦(wo)街流量計将(jiāng)更加高端、精(jing)密，用于生物(wù)、醫藥、衛生健(jian)康等行業的(de)精細測量的(de)渦街流量計(ji)将會得到更(geng)大的發展。

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