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

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

式（1）中：f 爲漩渦(wo)的頻率；v 爲流(liú)過渦街發生(shēng)體的流體的(de)平均速度；d 爲(wèi)渦街發生體(ti)的流面寬度(dù)；St 爲斯特勞哈(hā)爾數（Strouhal number），數值的(de)範圍爲 0.14 ～ 0.27。測量(liang)時，一般假定(ding) St=0.2。由此，通過測(ce)量漩渦的頻(pin)率就可以計(jì)算出流過渦(wo)街發生體的(de)流體平均速(su)度 v，再由下式(shì) ：

可以求出流(liú)量 q。其中，A 爲流(liu)體流過渦街(jiē)發生體的截(jie)面積。
2.2 渦街流(liú)量計的結構(gou)
　　渦街流量計(jì)的基本結構(gou)爲傳感器和(hé)轉換器 2 大部(bu)分。傳感器包(bāo)含渦街發生(shēng)體、檢測元件(jian)等；轉換器包(bao)含有放大電(dian)路、濾波整形(xing)電路以及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等；渦(wō)街發生體常(cháng)見的有圓柱(zhù)型、T 型柱、四角(jiǎo)柱和三角柱(zhu)。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(yuan)件有壓電晶(jīng)片、熱敏電阻(zǔ)、超聲波和應(yīng)變片差動電(dian)容等。轉換器(qi)部分基本都(dōu)智能化了，把(ba)微處理器芯(xīn)片都安裝其(qí)中。渦街流量(liàng)可直接在管(guan)道上安裝、互(hù)換性強、體積(ji)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(liàng)。3 小流量、低流(liu)速測量的限(xian)制問題。
　　基于(yu)渦街流量計(jì)的原理，流量(liàng)信号的強度(dù)與流量的平(ping)方成正比，即(jí)流速降低時(shi)，渦街信号将(jiang)以平方關系(xi)急劇下降。圖(tú) 2 顯示流量由(yóu)零增大時，渦(wo)街信号的波(bo)形記錄。在相(xiàng)同條件之下(xia)，1m/s 流速的氣體(tǐ)産生的漩渦(wo)力僅是 5m/s 流速(su)時的 1/25。爲保證(zheng)小流量的檢(jian)測，必須具備(bèi)極高的漩渦(wo)振動檢測靈(ling)敏度，将流量(liang)信号放大千(qiān)倍，由此導緻(zhi)渦街流量計(ji)對于蒸汽管(guǎn)道的振動極(ji)爲敏感，無流(liú)量時指示的(de)實際爲振動(dòng)幹擾信号，這(zhe)是渦街流量(liàng)計在實際應(yīng)用中最大的(de)問題。

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

圖(tú) 3 中輸入信号(hao)電壓爲 E，噪聲(sheng)信号轉換到(dao)電壓輸入端(duan)爲 V, 門限電壓(ya) U 通過放大器(qì)輸出爲 u, 放大(da)器的放大倍(bèi)數爲 A。因 u=AU，所以(yi)改變 A 或者 U 的(de)效果是相同(tóng)的[2]。
如圖 4 所示(shi)。要使得觸發(fā)器的輸出信(xin)号爲有效信(xìn)号，必須使得(dé)觸發器輸入(ru)的有效信号(hao) u 遠大于噪聲(shēng)信号。因此，渦(wo)街流量計正(zheng)常工作的必(bi)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(hòu)，依據上述分(fen)析必須提高(gāo)信噪比，盡量(liang)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(ke)以修正阻流(liu)體的結構形(xíng)狀，使傳感器(qì)能更好地接(jie)收漩渦的脈(mo)動頻率，這樣(yàng)可以大幅度(dù)提高有效信(xìn)号的幅值[3]。另(lìng)一種更實際(ji)有效的辦法(fǎ)是在漩渦發(fā)生體的兩端(duan)分别安裝 1 對(duì)對稱的壓電(diàn)晶體，采用差(chà)動式的壓電(diàn)傳感器感知(zhī)信号，并利用(yòng)差動放大電(dian)路來放大信(xìn)号，如圖 4 所示(shì)。由于電路中(zhong)機械振動産(chǎn)生的幹擾對(duì) 2 塊壓電晶體(tǐ)的作用力是(shi)一緻的，并且(qie)流體漩渦在(zai)阻流體兩側(cè)是交替産生(shēng)的，所以幹擾(rǎo)産生的信号(hao)通過差動放(fàng)大後，機械振(zhen)動信号因爲(wèi)相同而相互(hù)抵消削減，而(er)2 塊壓電晶體(ti)相反的流量(liàng)信号相加後(hou)增強。于是，大(dà)大降低了機(ji)械振動信号(hào)的幹擾。
4 大流(liu)量、高流速測(ce)量的限制問(wen)題
　　通常認爲(wei)，管道裏的蒸(zhēng)汽流速不會(hui)超過 60m/s，在選擇(zé)流量計時，量(liàng)程達到 60m/s 就已(yǐ)足夠，而采用(yòng)在線實時頻(pín)譜分析時發(fā)現：?80 及其以下(xià)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(yǒu)甚者，流速高(gao)達 180m/s。一般的渦(wō)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(yě)難于判斷超(chao)高流速的大(da)小。如圖 5 所示(shi)，漏波現象使(shi)流量偏小 44.3%。針(zhēn)對這一現象(xiang)，采用頻譜分(fèn)析＋動态濾波(bō)，改善信号波(bo)動，消除“漏波(bō)”現象。

　　信号可(kě)以從時域分(fen)析，也可以從(cóng)頻域分析。時(shí)域的信号圖(tu)像，是以時間(jian)軸爲橫軸；頻(pin)域的信号圖(tú)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(lì)如信号的周(zhou)期，信号在某(mou)一時間點的(de)幅值等。信号(hao)的頻域分析(xi)，是采用傅裏(li)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(pin)譜圖表明了(le)信号在不同(tong)頻率分量成(chéng)分的大小，比(bǐ)時域圖像提(ti)供更具體更(gèng)豐富的頻域(yù)圖像。在 PicoScope 示波(bō)器中，可以利(li)用其頻譜分(fèn)析的功能來(lái)觀察信号的(de)頻譜。
　　信号的(de)濾波處理通(tōng)常是信号處(chu)理中常用的(de)方法。信号的(de)濾波主要是(shi)獲得自己想(xiang)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(gāo)通、帶通、帶阻(zu)這幾種方式(shì)。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(cè)量中，往往需(xu)要的是濾掉(diào)信号中的雜(za)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(xī)，得出超高流(liú)速時的流量(liàng)值。如圖 6 所示(shì)。

5 結束語
　　由于(yu)渦街流量計(ji)容易與數字(zì)電子設備配(pèi)套使用，所以(yi)是一種比較(jiào)先進、理想的(de)測量儀器。漩(xuán)渦升力與流(liu)量的平方呈(cheng)正比、與流體(ti)的密度呈正(zheng)比。因此，當小(xiao)流量、低流速(sù)或大流量、高(gao)流速的時候(hòu)，對渦街流量(liàng)計提出了比(bi)較高的要求(qiú)。針對這個問(wen)題，本文做了(le)相應的探讨(tǎo)。爲了使渦街(jiē)流量計盡可(kě)能測量低流(liu)速、小流量，必(bi)須提高信噪(zào)比，采用差動(dòng)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(zhí)而降低機械(xiè)振動幹擾信(xin)号的幅值。針(zhen)對高流速、大(dà)流量産生漏(lòu)波現象的問(wèn)題，采用頻譜(pǔ)分析和動态(tài)濾波的方法(fa)，盡量減少漏(lou)波現象。圖 7 爲(wei)未處理時流(liú)量計輸出的(de)傳感器信号(hao)和放大器輸(shu)出信号。圖 7（a）上(shàng)部爲傳感器(qi)輸出的原始(shǐ)信号，下部爲(wei)放大器輸出(chū)信号；圖 7（b）爲展(zhǎn)開的視圖。圖(tú) 8 爲處理後流(liú)量計輸出的(de)傳感器信号(hao)和放大器輸(shū)出信号。圖 8（a）上(shang)部爲傳感器(qi)輸出的原始(shǐ)信号，下部爲(wèi)放大器輸出(chū)信号；圖 8（b）爲展(zhan)開的視圖。

以(yǐ)上内容來源(yuán)于網絡，如有(you)侵權請聯系(xì)即删除!