0 引言
　　 流(liú)量計 是指示(shi)被測流量和(hé)在選定時間(jiān)間隔内流體(tǐ)總量的儀表(biǎo)。流量計的種(zhong)類類别非常(cháng)多，利用的測(ce)量原理也各(gè)不相同，有力(li)學原理、熱學(xue)原理、電學原(yuán)理及光學原(yuan)理等。當前 , 在(zai)氣體及低粘(zhān)度液體流量(liang)計選型中 , 由(yóu)于孔闆流量(liàng)計有悠久的(de)曆史背景，各(gè)種試驗數據(ju)齊全。結構簡(jian)單，無可動部(bù)件，标準化程(cheng)度高，可不必(bì)進行實流标(biāo)定等優點，被(bei)廣泛使用。
　　 孔(kǒng)闆流量計 屬(shǔ)于差壓式流(liu)量計，流體流(liu)過管體内的(de)節流裝置，在(zài)節流裝置周(zhōu)圍産生收縮(suo)，利用壓力差(chà)來測量流體(ti)流速。孔闆流(liu)量計的節流(liu)裝置爲孔闆(pǎn)，即中央開有(you)圓孔的金屬(shu)闆，其結構如(rú)圖 1 所示。安裝(zhuāng)時将孔闆垂(chuí)直放置在管(guan)道中，測取孔(kǒng)闆前後兩端(duan)的壓力差，用(yong)傳感器把感(gǎn)知的壓力差(cha)轉換爲電壓(ya)量，然後與壓(yā)差計相連，即(jí)構成孔闆流(liu)量計。由于孔(kǒng)闆流量計是(shì)通過産生壓(yā)力損失進行(háng)流量檢測，所(suǒ)以壓力損失(shi)較大，通常高(gāo)達 10 ～ 20kpa。由于孔闆(pan)流量計的流(liu)量系數與雷(léi)諾系數有關(guan)，它的測量範(fan)圍比較窄，量(liang)程範圍一般(ban)爲 3:1 ～ 4:1，而且孔闆(pan)流量計在實(shí)際應用中，由(yóu)于安裝複雜(za)，整個壓力傳(chuan)遞路徑中易(yì)受到洩漏、冷(lěng)凝壺及下遊(yóu)導壓管位置(zhi)偏差、孔闆同(tong)心度、垂直度(dù)等衆多因素(sù)的影響，實際(ji)精度難以确(que)定。

　　因此，爲了(le)解決孔闆流(liú)量計在測量(liang)時存在的諸(zhu)多問題，渦街(jie)流量計 應運(yun)而生。
1 渦街流(liú)量計的優缺(quē)點
　　渦街流量(liàng)計在諸多應(yīng)用方面都優(you)于傳統的孔(kǒng)闆流量計。比(bi)如，孔闆流量(liang)計 1 個測量回(huí)路靜密封點(diǎn)爲 20 個左右。相(xiàng)比而言，渦街(jiē)流量計的靜(jing)密封點隻有(you) 3 個，不容易洩(xiè)漏 ，它不受流(liú)體溫度、壓力(li)還有密度等(deng)影響，流量系(xi)數長期不變(bian)[1]。
　　但是渦街流(liu)量計在使用(yòng)的時候，也存(cun)在一些問題(ti)。
1）由于渦街流(liu)量計的原始(shi)信号爲頻率(lǜ)信号，緻使渦(wō)街流量計實(shi)際爲一種數(shù)字式儀表。它(tā)隻要能正常(chang)工作，精度一(yi)定有保證。但(dan)是一旦不能(neng)正常工作，産(chan)生的測量誤(wù)差将非常大(da)，甚至連流量(liang)的變化趨勢(shi)都不能指示(shì)，徹底不能工(gong)作。
2）漩渦升力(li)與流量的平(píng)方呈正比、與(yu)流體的密度(du)呈正比。因此(ci)，流量減小時(shi)，渦街信号以(yi) 2 階關系急劇(ju)減弱，而氣體(ti)的渦街信号(hao)遠低于液體(ti)。在用于氣體(tǐ)流量檢測時(shi)，因低密度、低(di)流速導緻渦(wo)街信号微弱(ruo)，極易湮沒在(zai)幹擾之中，流(liú)量計無法正(zheng)确識别出漩(xuan)渦，緻使測量(liàng)失敗。
3）由于渦(wō)街流量計傳(chuan)感器必須敏(min)感檢測小流(liú)量時微小的(de)渦街升力，直(zhí)接限制了傳(chuan)感器的結構(gòu)。針對以上一(yī)些問題，下面(mian)将做部分探(tan)讨。
2 渦街流量(liang)計工作原理(li)與結構
2.1 渦街(jiē)流量計的工(gōng)作原理
　　在日(rì)常生活中經(jing)常能看到渦(wō)街現象，比如(ru)風中的旗幟(zhi)，由于旗杆産(chǎn)生的渦街而(ér)擺動，風越大(dà)，旗幟擺動越(yue)快－－擺動與風(feng)速呈正比。還(hái)有橋墩、煙囪(cōng)、高樓的設計(ji)均需考慮渦(wo)街的破壞力(li)。
　　渦街流量計(jì)就是參考日(rì)常生活中渦(wō)街現象的原(yuan)理，在管道中(zhōng)插入合适大(dà)小和形狀的(de)柱體（即渦街(jie)發生體）。當流(liu)體流過時，在(zài)渦街發生體(tǐ)後兩側産生(sheng)交替排列的(de)漩渦，這種漩(xuan)渦被稱爲卡(kǎ)門漩渦。漩渦(wo)的頻率與流(liú)量呈正比。可(ke)用下式表示(shi)：

式（1）中：f 爲漩渦(wō)的頻率；v 爲流(liu)過渦街發生(shēng)體的流體的(de)平均速度；d 爲(wei)渦街發生體(tǐ)的流面寬度(dù)；St 爲斯特勞哈(ha)爾數（Strouhal number），數值的(de)範圍爲 0.14 ～ 0.27。測量(liàng)時，一般假定(ding) St=0.2。由此，通過測(cè)量漩渦的頻(pín)率就可以計(jì)算出流過渦(wō)街發生體的(de)流體平均速(sù)度 v，再由下式(shi) ：

可以求出流(liú)量 q。其中，A 爲流(liú)體流過渦街(jie)發生體的截(jie)面積。
2.2 渦街流(liu)量計的結構(gòu)
　　渦街流量計(jì)的基本結構(gòu)爲傳感器和(he)轉換器 2 大部(bu)分。傳感器包(bao)含渦街發生(shēng)體、檢測元件(jiàn)等；轉換器包(bāo)含有放大電(dian)路、濾波整形(xing)電路以及 D/A 轉(zhuan)換電路等；渦(wo)街發生體常(chang)見的有圓柱(zhù)型、T 型柱、四角(jiao)柱和三角柱(zhù)。目前采用較(jiào)多，反饋最好(hǎo)的是三角柱(zhù)型的渦街發(fā)生體。檢測元(yuán)件有壓電晶(jing)片、熱敏電阻(zǔ)、超聲波和應(ying)變片差動電(diàn)容等。轉換器(qi)部分基本都(dou)智能化了，把(bǎ)微處理器芯(xin)片都安裝其(qi)中。渦街流量(liang)可直接在管(guan)道上安裝、互(hù)換性強、體積(jī)小、長期運行(hang)精度高，可适(shi)用于大多數(shu)液體、蒸汽和(hé)氣體的測量(liang)。3 小流量、低流(liu)速測量的限(xian)制問題。
　　基于(yú)渦街流量計(ji)的原理，流量(liang)信号的強度(du)與流量的平(píng)方成正比，即(ji)流速降低時(shí)，渦街信号将(jiāng)以平方關系(xì)急劇下降。圖(tu) 2 顯示流量由(you)零增大時，渦(wō)街信号的波(bō)形記錄。在相(xiang)同條件之下(xia)，1m/s 流速的氣體(tǐ)産生的漩渦(wō)力僅是 5m/s 流速(sù)時的 1/25。爲保證(zhèng)小流量的檢(jiǎn)測，必須具備(bèi)極高的漩渦(wō)振動檢測靈(líng)敏度，将流量(liang)信号放大千(qiān)倍，由此導緻(zhi)渦街流量計(jì)對于蒸汽管(guan)道的振動極(jí)爲敏感，無流(liu)量時指示的(de)實際爲振動(dòng)幹擾信号，這(zhè)是渦街流量(liang)計在實際應(yīng)用中最大的(de)問題。

　　渦街流量計(ji)的檢測部件(jiàn)利用壓電晶(jing)片來檢測漩(xuán)渦的頻率 f，由(yóu)此得到電壓(ya)信号。此電壓(yā)信号需要經(jing)過放大電路(lù)和觸發裝置(zhì)，将漩渦頻率(lǜ)最終變成儀(yí)器所能顯示(shì)的脈沖信号(hao)。此脈沖信号(hào)再次送入轉(zhuan)換儀表裝置(zhi)換算成可顯(xian)示的被測流(liu)量。其中，放大(dà)器的放大倍(bèi)數 A 和觸發器(qi)的門限電壓(yā)均可以進行(háng)調整。如圖 3 所(suo)示。

圖(tu) 3 中輸入信号(hào)電壓爲 E，噪聲(sheng)信号轉換到(dao)電壓輸入端(duān)爲 V, 門限電壓(ya) U 通過放大器(qì)輸出爲 u, 放大(dà)器的放大倍(bei)數爲 A。因 u=AU，所以(yi)改變 A 或者 U 的(de)效果是相同(tong)的[2]。
如圖 4 所示(shì)。要使得觸發(fa)器的輸出信(xin)号爲有效信(xìn)号，必須使得(dé)觸發器輸入(rù)的有效信号(hao) u 遠大于噪聲(sheng)信号。因此，渦(wō)街流量計正(zheng)常工作的必(bì)要條件是：E > u > V。

　　當渦街流(liu)量計測量低(dī)流速、小流量(liàng)流體的時候(hou)，依據上述分(fen)析必須提高(gāo)信噪比，盡量(liàng)提高輸入流(liú)量的有效信(xìn)号，降低機械(xiè)振動産生的(de)幹擾信号的(de)幅值。因此，可(kě)以修正阻流(liú)體的結構形(xíng)狀，使傳感器(qi)能更好地接(jie)收漩渦的脈(mò)動頻率，這樣(yàng)可以大幅度(du)提高有效信(xìn)号的幅值[3]。另(ling)一種更實際(jì)有效的辦法(fa)是在漩渦發(fa)生體的兩端(duan)分别安裝 1 對(dui)對稱的壓電(diàn)晶體，采用差(cha)動式的壓電(diàn)傳感器感知(zhi)信号，并利用(yong)差動放大電(dian)路來放大信(xin)号，如圖 4 所示(shi)。由于電路中(zhong)機械振動産(chǎn)生的幹擾對(duì) 2 塊壓電晶體(ti)的作用力是(shi)一緻的，并且(qiě)流體漩渦在(zai)阻流體兩側(ce)是交替産生(sheng)的，所以幹擾(rǎo)産生的信号(hao)通過差動放(fàng)大後，機械振(zhèn)動信号因爲(wèi)相同而相互(hù)抵消削減，而(ér)2 塊壓電晶體(ti)相反的流量(liang)信号相加後(hòu)增強。于是，大(dà)大降低了機(jī)械振動信号(hào)的幹擾。
4 大流(liu)量、高流速測(cè)量的限制問(wen)題
　　通常認爲(wei)，管道裏的蒸(zhēng)汽流速不會(huì)超過 60m/s，在選擇(zé)流量計時，量(liàng)程達到 60m/s 就已(yi)足夠，而采用(yong)在線實時頻(pín)譜分析時發(fa)現：?80 及其以下(xia)的管線，經常(chang)出現高于 80m/s 的(de)高流速，其中(zhong)有近一半的(de)出現超過 100m/s 的(de)高流速，更有(you)甚者，流速高(gao)達 180m/s。一般的渦(wo)街流量計在(zài)流速過高時(shí)，因劇烈的漏(lòu)波現象，出現(xiàn)難以估算的(de)誤差，所以也(ye)難于判斷超(chāo)高流速的大(da)小。如圖 5 所示(shì)，漏波現象使(shi)流量偏小 44.3%。針(zhen)對這一現象(xiang)，采用頻譜分(fèn)析＋動态濾波(bo)，改善信号波(bō)動，消除“漏波(bo)”現象。

　　信号可(kě)以從時域分(fen)析，也可以從(cóng)頻域分析。時(shi)域的信号圖(tú)像，是以時間(jian)軸爲橫軸；頻(pín)域的信号圖(tu)像，是以頻率(lü)值作爲橫軸(zhóu)。信号的時域(yu)分析主要側(ce)重于信号的(de)直觀印象，例(li)如信号的周(zhōu)期，信号在某(mǒu)一時間點的(de)幅值等。信号(hao)的頻域分析(xi)，是采用傅裏(lǐ)葉變換，将 X（t）變(biàn)換成 X（f）[4]。具體的(de)變換方法在(zai)這裏不再贅(zhui)述。信号的頻(pín)譜圖表明了(le)信号在不同(tóng)頻率分量成(cheng)分的大小，比(bi)時域圖像提(ti)供更具體更(geng)豐富的頻域(yù)圖像。在 PicoScope 示波(bo)器中，可以利(lì)用其頻譜分(fen)析的功能來(lai)觀察信号的(de)頻譜。
　　信号的(de)濾波處理通(tong)常是信号處(chù)理中常用的(de)方法。信号的(de)濾波主要是(shi)獲得自己想(xiǎng)要的信号，并(bing)且過濾掉不(bú)符合實驗要(yao)求的信号。通(tōng)常有低通、高(gao)通、帶通、帶阻(zu)這幾種方式(shi)。實際應用中(zhōng)，通常是設計(jì)濾波電路對(dui)電路進行濾(lü)波。在測試測(ce)量中，往往需(xū)要的是濾掉(diao)信号中的雜(zá)波。盡可能排(pai)除影響因素(sù)，通過對傳感(gan)器原始信号(hào)直接進行實(shi)時頻譜分析(xi)，得出超高流(liu)速時的流量(liang)值。如圖 6 所示(shi)。

5 結束語
　　由于(yu)渦街流量計(jì)容易與數字(zi)電子設備配(pei)套使用，所以(yǐ)是一種比較(jiào)先進、理想的(de)測量儀器。漩(xuán)渦升力與流(liú)量的平方呈(cheng)正比、與流體(ti)的密度呈正(zhèng)比。因此，當小(xiao)流量、低流速(su)或大流量、高(gao)流速的時候(hou)，對渦街流量(liàng)計提出了比(bǐ)較高的要求(qiu)。針對這個問(wèn)題，本文做了(le)相應的探讨(tao)。爲了使渦街(jie)流量計盡可(kě)能測量低流(liú)速、小流量，必(bì)須提高信噪(zao)比，采用差動(dong)壓電傳感器(qì)和差動放大(dà)電路，盡量提(ti)高有效流量(liang)信号的幅值(zhi)而降低機械(xiè)振動幹擾信(xin)号的幅值。針(zhēn)對高流速、大(dà)流量産生漏(lou)波現象的問(wen)題，采用頻譜(pǔ)分析和動态(tài)濾波的方法(fǎ)，盡量減少漏(lòu)波現象。圖 7 爲(wèi)未處理時流(liú)量計輸出的(de)傳感器信号(hao)和放大器輸(shū)出信号。圖 7（a）上(shang)部爲傳感器(qì)輸出的原始(shǐ)信号，下部爲(wèi)放大器輸出(chu)信号；圖 7（b）爲展(zhǎn)開的視圖。圖(tú) 8 爲處理後流(liu)量計輸出的(de)傳感器信号(hào)和放大器輸(shū)出信号。圖 8（a）上(shàng)部爲傳感器(qì)輸出的原始(shi)信号，下部爲(wèi)放大器輸出(chu)信号；圖 8（b）爲展(zhǎn)開的視圖。

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