0 引(yin)言
　　 流量(liàng)計 是指(zhǐ)示被測(ce)流量和(he)在選定(ding)時間間(jiān)隔内流(liú)體總量(liàng)的儀表(biao)。流量計(ji)的種類(lèi)類别非(fēi)常多，利(lì)用的測(cè)量原理(li)也各不(bú)相同，有(yǒu)力學原(yuán)理、熱學(xué)原理、電(dian)學原理(li)及光學(xue)原理等(deng)。當前 , 在(zai)氣體及(ji)低粘度(du)液體流(liú)量計選(xuǎn)型中 , 由(yóu)于孔闆(pan)流量計(ji)有悠久(jiǔ)的曆史(shǐ)背景，各(ge)種試驗(yan)數據齊(qi)全。結構(gòu)簡單，無(wú)可動部(bu)件，标準(zhǔn)化程度(du)高，可不(bu)必進行(háng)實流标(biao)定等優(yōu)點，被廣(guang)泛使用(yòng)。
　　 孔闆流(liú)量計 屬(shu)于差壓(ya)式流量(liàng)計，流體(tǐ)流過管(guǎn)體内的(de)節流裝(zhuāng)置，在節(jiē)流裝置(zhi)周圍産(chan)生收縮(suō)，利用壓(yā)力差來(lai)測量流(liu)體流速(sù)。孔闆流(liú)量計的(de)節流裝(zhuāng)置爲孔(kǒng)闆，即中(zhōng)央開有(yǒu)圓孔的(de)金屬闆(pǎn)，其結構(gòu)如圖 1 所(suo)示。安裝(zhuang)時将孔(kǒng)闆垂直(zhi)放置在(zài)管道中(zhong)，測取孔(kong)闆前後(hòu)兩端的(de)壓力差(chà)，用傳感(gan)器把感(gan)知的壓(ya)力差轉(zhuan)換爲電(dian)壓量，然(ran)後與壓(ya)差計相(xiang)連，即構(gou)成孔闆(pǎn)流量計(ji)。由于孔(kǒng)闆流量(liàng)計是通(tong)過産生(shēng)壓力損(sun)失進行(háng)流量檢(jiǎn)測，所以(yǐ)壓力損(sun)失較大(dà)，通常高(gāo)達 10 ～ 20kpa。由于(yú)孔闆流(liú)量計的(de)流量系(xì)數與雷(léi)諾系數(shù)有關，它(ta)的測量(liang)範圍比(bi)較窄，量(liàng)程範圍(wéi)一般爲(wei) 3:1 ～ 4:1，而且孔(kong)闆流量(liang)計在實(shí)際應用(yòng)中，由于(yu)安裝複(fu)雜，整個(gè)壓力傳(chuan)遞路徑(jìng)中易受(shòu)到洩漏(lou)、冷凝壺(hú)及下遊(yóu)導壓管(guan)位置偏(pian)差、孔闆(pan)同心度(dù)、垂直度(dù)等衆多(duō)因素的(de)影響，實(shí)際精度(dù)難以确(què)定。

　　因(yīn)此，爲了(le)解決孔(kong)闆流量(liàng)計在測(ce)量時存(cún)在的諸(zhu)多問題(ti)，渦街流(liú)量計 應(ying)運而生(shēng)。
1 渦街流(liu)量計的(de)優缺點(diǎn)
　　渦街流(liu)量計在(zài)諸多應(yīng)用方面(miàn)都優于(yú)傳統的(de)孔闆流(liu)量計。比(bi)如，孔闆(pan)流量計(jì) 1 個測量(liàng)回路靜(jing)密封點(dian)爲 20 個左(zuo)右。相比(bǐ)而言，渦(wō)街流量(liàng)計的靜(jìng)密封點(dian)隻有 3 個(gè)，不容易(yì)洩漏 ，它(ta)不受流(liú)體溫度(du)、壓力還(hái)有密度(du)等影響(xiǎng)，流量系(xi)數長期(qī)不變[1]。
　　但(dàn)是渦街(jie)流量計(jì)在使用(yong)的時候(hou)，也存在(zài)一些問(wen)題。
1）由于(yu)渦街流(liu)量計的(de)原始信(xin)号爲頻(pin)率信号(hào)，緻使渦(wo)街流量(liang)計實際(jì)爲一種(zhong)數字式(shi)儀表。它(tā)隻要能(neng)正常工(gōng)作，精度(du)一定有(you)保證。但(dàn)是一旦(dan)不能正(zhèng)常工作(zuo)，産生的(de)測量誤(wu)差将非(fei)常大，甚(shèn)至連流(liú)量的變(bian)化趨勢(shi)都不能(neng)指示，徹(chè)底不能(néng)工作。
2）漩(xuan)渦升力(li)與流量(liang)的平方(fang)呈正比(bǐ)、與流體(tǐ)的密度(dù)呈正比(bi)。因此，流(liú)量減小(xiǎo)時，渦街(jiē)信号以(yǐ) 2 階關系(xi)急劇減(jian)弱，而氣(qì)體的渦(wō)街信号(hào)遠低于(yu)液體。在(zai)用于氣(qi)體流量(liàng)檢測時(shí)，因低密(mi)度、低流(liú)速導緻(zhi)渦街信(xìn)号微弱(ruo)，極易湮(yan)沒在幹(gàn)擾之中(zhong)，流量計(ji)無法正(zheng)确識别(bie)出漩渦(wō)，緻使測(cè)量失敗(bài)。
3）由于渦(wo)街流量(liang)計傳感(gǎn)器必須(xū)敏感檢(jian)測小流(liu)量時微(wei)小的渦(wō)街升力(lì)，直接限(xiàn)制了傳(chuán)感器的(de)結構。針(zhen)對以上(shang)一些問(wen)題，下面(miàn)将做部(bù)分探讨(tǎo)。
2 渦街流(liú)量計工(gōng)作原理(lǐ)與結構(gòu)
2.1 渦街流(liu)量計的(de)工作原(yuan)理
　　在日(ri)常生活(huo)中經常(cháng)能看到(dào)渦街現(xiàn)象，比如(ru)風中的(de)旗幟，由(yóu)于旗杆(gǎn)産生的(de)渦街而(ér)擺動，風(fēng)越大，旗(qí)幟擺動(dòng)越快－－擺(bǎi)動與風(fēng)速呈正(zhèng)比。還有(you)橋墩、煙(yan)囪、高樓(lóu)的設計(ji)均需考(kao)慮渦街(jiē)的破壞(huài)力。
　　渦街(jiē)流量計(ji)就是參(can)考日常(cháng)生活中(zhōng)渦街現(xian)象的原(yuán)理，在管(guan)道中插(chā)入合适(shi)大小和(hé)形狀的(de)柱體（即(ji)渦街發(fā)生體）。當(dang)流體流(liú)過時，在(zai)渦街發(fa)生體後(hou)兩側産(chǎn)生交替(ti)排列的(de)漩渦，這(zhè)種漩渦(wō)被稱爲(wèi)卡門漩(xuan)渦。漩渦(wo)的頻率(lü)與流量(liang)呈正比(bǐ)。可用下(xià)式表示(shi)：

式（1）中：f 爲(wei)漩渦的(de)頻率；v 爲(wèi)流過渦(wo)街發生(shēng)體的流(liú)體的平(ping)均速度(dù)；d 爲渦街(jie)發生體(ti)的流面(mian)寬度；St 爲(wèi)斯特勞(láo)哈爾數(shù)（Strouhal number），數值的(de)範圍爲(wei) 0.14 ～ 0.27。測量時(shí)，一般假(jiǎ)定 St=0.2。由此(ci)，通過測(ce)量漩渦(wō)的頻率(lǜ)就可以(yǐ)計算出(chū)流過渦(wō)街發生(sheng)體的流(liu)體平均(jun)速度 v，再(zai)由下式(shì) ：

可以求(qiú)出流量(liang) q。其中，A 爲(wèi)流體流(liú)過渦街(jiē)發生體(tǐ)的截面(miàn)積。
2.2 渦街(jie)流量計(ji)的結構(gou)
　　渦街流(liú)量計的(de)基本結(jié)構爲傳(chuan)感器和(hé)轉換器(qi) 2 大部分(fen)。傳感器(qi)包含渦(wō)街發生(shēng)體、檢測(ce)元件等(děng)；轉換器(qi)包含有(you)放大電(diàn)路、濾波(bo)整形電(diàn)路以及(ji) D/A 轉換電(diàn)路等；渦(wō)街發生(sheng)體常見(jiàn)的有圓(yuan)柱型、T 型(xíng)柱、四角(jiǎo)柱和三(sān)角柱。目(mù)前采用(yong)較多，反(fan)饋最好(hǎo)的是三(sān)角柱型(xíng)的渦街(jie)發生體(tǐ)。檢測元(yuán)件有壓(yā)電晶片(piàn)、熱敏電(diàn)阻、超聲(sheng)波和應(yīng)變片差(cha)動電容(rong)等。轉換(huàn)器部分(fen)基本都(dou)智能化(huà)了，把微(wēi)處理器(qi)芯片都(dou)安裝其(qí)中。渦街(jie)流量可(kě)直接在(zài)管道上(shang)安裝、互(hù)換性強(qiáng)、體積小(xiǎo)、長期運(yùn)行精度(du)高，可适(shi)用于大(dà)多數液(ye)體、蒸汽(qi)和氣體(ti)的測量(liàng)。3 小流量(liàng)、低流速(sù)測量的(de)限制問(wèn)題。
　　基于(yú)渦街流(liú)量計的(de)原理，流(liú)量信号(hao)的強度(du)與流量(liang)的平方(fang)成正比(bǐ)，即流速(sù)降低時(shí)，渦街信(xìn)号将以(yǐ)平方關(guān)系急劇(jù)下降。圖(tu) 2 顯示流(liú)量由零(ling)增大時(shi)，渦街信(xin)号的波(bo)形記錄(lu)。在相同(tóng)條件之(zhi)下，1m/s 流速(sù)的氣體(tǐ)産生的(de)漩渦力(li)僅是 5m/s 流(liu)速時的(de) 1/25。爲保證(zheng)小流量(liang)的檢測(ce)，必須具(ju)備極高(gao)的漩渦(wō)振動檢(jian)測靈敏(mǐn)度，将流(liu)量信号(hao)放大千(qiān)倍，由此(cǐ)導緻渦(wo)街流量(liàng)計對于(yu)蒸汽管(guǎn)道的振(zhen)動極爲(wèi)敏感，無(wú)流量時(shí)指示的(de)實際爲(wèi)振動幹(gàn)擾信号(hao)，這是渦(wo)街流量(liang)計在實(shi)際應用(yong)中最大(da)的問題(tí)。

　　渦街(jie)流量計(ji)的檢測(cè)部件利(lì)用壓電(diàn)晶片來(lái)檢測漩(xuán)渦的頻(pin)率 f，由此(ci)得到電(diàn)壓信号(hào)。此電壓(yā)信号需(xu)要經過(guò)放大電(diàn)路和觸(chù)發裝置(zhi)，将漩渦(wō)頻率最(zui)終變成(chéng)儀器所(suǒ)能顯示(shi)的脈沖(chong)信号。此(ci)脈沖信(xìn)号再次(ci)送入轉(zhuan)換儀表(biao)裝置換(huàn)算成可(ke)顯示的(de)被測流(liú)量。其中(zhong)，放大器(qì)的放大(dà)倍數 A 和(hé)觸發器(qì)的門限(xiàn)電壓均(jun)可以進(jin)行調整(zheng)。如圖 3 所(suo)示。

圖 3 中輸(shū)入信号(hào)電壓爲(wei) E，噪聲信(xìn)号轉換(huan)到電壓(yā)輸入端(duān)爲 V, 門限(xian)電壓 U 通(tōng)過放大(da)器輸出(chu)爲 u, 放大(dà)器的放(fàng)大倍數(shu)爲 A。因 u=AU，所(suo)以改變(bian) A 或者 U 的(de)效果是(shi)相同的(de)[2]。
如圖 4 所(suǒ)示。要使(shǐ)得觸發(fā)器的輸(shu)出信号(hào)爲有效(xiào)信号，必(bì)須使得(de)觸發器(qi)輸入的(de)有效信(xin)号 u 遠大(dà)于噪聲(sheng)信号。因(yīn)此，渦街(jiē)流量計(jì)正常工(gong)作的必(bi)要條件(jiàn)是：E > u > V。

　　當(dang)渦街流(liu)量計測(cè)量低流(liu)速、小流(liu)量流體(tǐ)的時候(hòu)，依據上(shang)述分析(xi)必須提(tí)高信噪(zao)比，盡量(liang)提高輸(shū)入流量(liàng)的有效(xiao)信号，降(jiàng)低機械(xie)振動産(chan)生的幹(gàn)擾信号(hao)的幅值(zhi)。因此，可(kě)以修正(zhèng)阻流體(tǐ)的結構(gòu)形狀，使(shǐ)傳感器(qi)能更好(hao)地接收(shōu)漩渦的(de)脈動頻(pin)率，這樣(yang)可以大(da)幅度提(ti)高有效(xiao)信号的(de)幅值[3]。另(lìng)一種更(gèng)實際有(you)效的辦(bàn)法是在(zai)漩渦發(fa)生體的(de)兩端分(fen)别安裝(zhuāng) 1 對對稱(cheng)的壓電(dian)晶體，采(cǎi)用差動(dòng)式的壓(ya)電傳感(gan)器感知(zhi)信号，并(bìng)利用差(cha)動放大(da)電路來(lái)放大信(xìn)号，如圖(tú) 4 所示。由(yóu)于電路(lù)中機械(xie)振動産(chan)生的幹(gàn)擾對 2 塊(kuài)壓電晶(jing)體的作(zuo)用力是(shi)一緻的(de)，并且流(liu)體漩渦(wō)在阻流(liu)體兩側(ce)是交替(ti)産生的(de)，所以幹(gàn)擾産生(shēng)的信号(hao)通過差(cha)動放大(da)後，機械(xiè)振動信(xin)号因爲(wèi)相同而(er)相互抵(di)消削減(jiǎn)，而2 塊壓(yā)電晶體(tǐ)相反的(de)流量信(xin)号相加(jiā)後增強(qiáng)。于是，大(dà)大降低(dī)了機械(xie)振動信(xin)号的幹(gàn)擾。
4 大流(liú)量、高流(liú)速測量(liang)的限制(zhì)問題
　　通(tong)常認爲(wei)，管道裏(lǐ)的蒸汽(qì)流速不(bú)會超過(guò) 60m/s，在選擇(ze)流量計(jì)時，量程(cheng)達到 60m/s 就(jiù)已足夠(gòu)，而采用(yong)在線實(shi)時頻譜(pǔ)分析時(shi)發現：?80 及(jí)其以下(xia)的管線(xian)，經常出(chu)現高于(yú) 80m/s 的高流(liu)速，其中(zhōng)有近一(yī)半的出(chu)現超過(guo) 100m/s 的高流(liu)速，更有(yǒu)甚者，流(liu)速高達(da) 180m/s。一般的(de)渦街流(liu)量計在(zai)流速過(guò)高時，因(yīn)劇烈的(de)漏波現(xian)象，出現(xian)難以估(gū)算的誤(wù)差，所以(yǐ)也難于(yu)判斷超(chāo)高流速(su)的大小(xiao)。如圖 5 所(suǒ)示，漏波(bō)現象使(shǐ)流量偏(pian)小 44.3%。針對(dui)這一現(xiàn)象，采用(yòng)頻譜分(fèn)析＋動态(tài)濾波，改(gǎi)善信号(hào)波動，消(xiāo)除“漏波(bō)”現象。

　　信(xin)号可以(yǐ)從時域(yu)分析，也(yě)可以從(cong)頻域分(fen)析。時域(yù)的信号(hào)圖像，是(shi)以時間(jian)軸爲橫(héng)軸；頻域(yù)的信号(hao)圖像，是(shì)以頻率(lǜ)值作爲(wei)橫軸。信(xin)号的時(shí)域分析(xī)主要側(cè)重于信(xin)号的直(zhi)觀印象(xiang)，例如信(xin)号的周(zhōu)期，信号(hao)在某一(yī)時間點(diǎn)的幅值(zhi)等。信号(hào)的頻域(yù)分析，是(shi)采用傅(fù)裏葉變(biàn)換，将 X（t）變(biàn)換成 X（f）[4]。具(jù)體的變(biàn)換方法(fa)在這裏(lǐ)不再贅(zhui)述。信号(hao)的頻譜(pu)圖表明(ming)了信号(hao)在不同(tóng)頻率分(fen)量成分(fèn)的大小(xiǎo)，比時域(yu)圖像提(tí)供更具(ju)體更豐(fēng)富的頻(pin)域圖像(xiàng)。在 PicoScope 示波(bō)器中，可(ke)以利用(yòng)其頻譜(pǔ)分析的(de)功能來(lái)觀察信(xin)号的頻(pín)譜。
　　信号(hao)的濾波(bo)處理通(tōng)常是信(xìn)号處理(lǐ)中常用(yong)的方法(fa)。信号的(de)濾波主(zhǔ)要是獲(huo)得自己(jǐ)想要的(de)信号，并(bing)且過濾(lü)掉不符(fu)合實驗(yàn)要求的(de)信号。通(tong)常有低(dī)通、高通(tōng)、帶通、帶(dai)阻這幾(jǐ)種方式(shì)。實際應(yīng)用中，通(tong)常是設(she)計濾波(bō)電路對(dui)電路進(jìn)行濾波(bō)。在測試(shi)測量中(zhong)，往往需(xū)要的是(shì)濾掉信(xin)号中的(de)雜波。盡(jin)可能排(pai)除影響(xiǎng)因素，通(tōng)過對傳(chuán)感器原(yuán)始信号(hào)直接進(jìn)行實時(shí)頻譜分(fèn)析，得出(chu)超高流(liú)速時的(de)流量值(zhí)。如圖 6 所(suo)示。

5 結束(shu)語
　　由于(yú)渦街流(liu)量計容(róng)易與數(shù)字電子(zǐ)設備配(pèi)套使用(yong)，所以是(shi)一種比(bǐ)較先進(jìn)、理想的(de)測量儀(yí)器。漩渦(wo)升力與(yu)流量的(de)平方呈(cheng)正比、與(yǔ)流體的(de)密度呈(chéng)正比。因(yin)此，當小(xiǎo)流量、低(di)流速或(huò)大流量(liàng)、高流速(su)的時候(hòu)，對渦街(jie)流量計(jì)提出了(le)比較高(gao)的要求(qiu)。針對這(zhe)個問題(tí)，本文做(zuo)了相應(ying)的探讨(tao)。爲了使(shǐ)渦街流(liú)量計盡(jìn)可能測(ce)量低流(liu)速、小流(liú)量，必須(xu)提高信(xìn)噪比，采(cǎi)用差動(dong)壓電傳(chuán)感器和(he)差動放(fàng)大電路(lù)，盡量提(tí)高有效(xiao)流量信(xìn)号的幅(fu)值而降(jiàng)低機械(xiè)振動幹(gan)擾信号(hào)的幅值(zhi)。針對高(gāo)流速、大(da)流量産(chǎn)生漏波(bo)現象的(de)問題，采(cai)用頻譜(pu)分析和(hé)動态濾(lü)波的方(fāng)法，盡量(liang)減少漏(lou)波現象(xiàng)。圖 7 爲未(wei)處理時(shi)流量計(jì)輸出的(de)傳感器(qi)信号和(hé)放大器(qì)輸出信(xìn)号。圖 7（a）上(shang)部爲傳(chuán)感器輸(shū)出的原(yuan)始信号(hao)，下部爲(wei)放大器(qi)輸出信(xìn)号；圖 7（b）爲(wei)展開的(de)視圖。圖(tu) 8 爲處理(lǐ)後流量(liang)計輸出(chu)的傳感(gan)器信号(hao)和放大(da)器輸出(chu)信号。圖(tu) 8（a）上部爲(wèi)傳感器(qi)輸出的(de)原始信(xìn)号，下部(bù)爲放大(dà)器輸出(chu)信号；圖(tu) 8（b）爲展開(kai)的視圖(tú)。

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