摘要:渦街(jiē)流量計
是(shì)根據渦街(jiē)原理制備(bèi)的測量氣(qì)體和液體(tǐ)流量計量(liang)♊儀器，自上(shang)世紀八十(shi)年代以來(lai)被廣泛使(shi)用，其技👨❤️👨術(shù)也不斷進(jìn)步。渦街⛹🏻♀️流(liu)量計的旋(xuan)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jiǎn)測元件(傳(chuán)感器)、前置(zhi)放大器、濾(lǜ)波整形電(diàn)路、D/A轉換🌍電(dian)路、輸出接(jie)口電路等(deng)方面的技(jì)術特點和(he)研究進展(zhan)進行了綜(zōng)述。
渦街流(liú)量計是用(yong)于氣體、液(yè)體等流體(tǐ)介質的測(cè)量的常用(yòng)儀💁器之一(yi)，其應用已(yǐ)經從最初(chu)的水蒸氣(qi)、水的測量(liàng)擴展到🙇🏻生(sheng)物學、醫❌學(xue)、衛生、化學(xué)化工等領(ling)域。随着各(gè)種相關技(jì)術等不斷(duan)提高，渦街(jie)流量計向(xiang)着高、精、尖(jian)方㊙️向發展(zhan)。
渦街流量(liàng)計應用最(zuì)多的領域(yù)是石油化(huà)工企業，由(you)于其傳感(gǎn)部件可以(yi)不直接接(jiē)觸被測介(jiè)質，可以用(yòng)于測量各(ge)類液體、氣(qì)體流🏒量，一(yī)般其不鏽(xiù)鋼旋渦發(fā)生體和封(feng)裝于不鏽(xiù)鋼體的傳(chuán)感器，能夠(gou)耐受高溫(wen)高壓，可用(yòng)于液體、氣(qì)🐪體、蒸汽測(cè)量。現在也(ye)有推出管(guan)徑小于25mm以(yǐ)下的采用(yòng)模壓成型(xing)工藝的全(quan)塑料産品(pin)渦街流量(liàng)傳感器，配(pei)置非接觸(chu)的超聲波(bo)檢測元件(jiàn)，可用于腐(fu)🌂蝕性液體(ti)和高🚶♀️純淨(jing)液體的流(liu)量測量。在(zài)石油化工(gong)、制藥、食品(pǐn)和半導體(ti)工業中，渦(wo)街流量計(ji)⛹🏻♀️有着廣泛(fan)✨的應用，可(kě)以🔱準确測(cè)♈量的介質(zhì)包括甲醇(chun)🌏、甲醛、丙酮(tong)、甲苯、三氯(lǜ)乙烯、乙烯(xi)、丁烷液氨(an)、空分裝置(zhì)💚中液氧、液(ye)氮⁉️流量等(děng)，還有半導(dao)體工業純(chun)水、超淨純(chun)水等🏃。
根據(ju)卡門(Karman)渦街(jie)原理研制(zhi)的渦街流(liu)量計主要(yao)用于工業(yè)管道🈲介質(zhì)流體如氣(qi)體、液體等(deng)的流量測(cè)量。渦街流(liú)♊量計📐的特(tè)點是量程(cheng)範圍大、壓(ya)力損失小(xiǎo)，在體積流(liú)量測量時(shí)幾乎不受(shòu)流體密度(dù)、溫度、壓力(li)、粘度等因(yīn)素的影響(xiang)，精度高，維(wei)護量小，可(ke)靠性高，工(gong)作溫度範(fàn)圍較寬(－20～250℃)。信(xin)号輸出方(fang)式有數字(zi)脈‼️沖信号(hào)輸出，也有(yǒu)模拟标準(zhun)🍓信号，易于(yu)智能化、自(zi)動化控制(zhì)，是大中型(xing)企業比較(jiào)先🌈進、理想(xiǎng)的介質流(liu)🏃♀️量測量儀(yi)器。常見♌的(de)渦街流量(liàng)計如圖1所(suǒ)示。
渦街流量(liang)計分類方(fang)法有多種(zhǒng)，如按照檢(jian)測方式分(fen)爲熱敏🐆式(shì)、電容式、應(ying)力式、超聲(shēng)式、應變式(shì)、光電式、振(zhèn)動體式和(he)光纖式等(deng)🧑🏽🤝🧑🏻;按傳感器(qì)與轉換器(qi)組成分爲(wèi)‼️一體型和(hé)分離型;按(àn)測量原理(li)分爲質量(liang)流量計和(he)體積流量(liàng)✨計等。本文(wén)在介紹了(le)渦街流量(liang)計工作原(yuán)理的基礎(chǔ)上，對最近(jìn)幾年來關(guān)于渦街流(liu)量計的改(gai)造現狀進(jin)行⭐了總結(jié)述評，以期(qī)進一步推(tui)動渦街流(liu)量計發展(zhǎn)。
1渦街流量(liàng)計的基本(ben)原理
渦街(jiē)流量計中(zhōng)卡門渦街(jie)形成基本(běn)原理如圖(tu)2所示。
正如圖(tú)2所示，處于(yú)流體中的(de)三角柱是(shì)旋渦發生(shēng)體，當流體(tǐ)從🤟旋🆚渦發(fa)生體兩側(cè)流過時，産(chan)生有規則(zé)的交替旋(xuan)渦———卡門旋(xuán)渦，這些規(guī)則交替的(de)旋渦在旋(xuan)渦發生體(tǐ)下遊非對(dui)稱地排列(liè)。旋渦的釋(shì)放頻率f與(yǔ)流過旋渦(wō)發生體的(de)流體平均(jun1)速度及旋(xuan)渦發生體(ti)特征寬度(dù)有關，可用(yòng)下式表⚽示(shi):
f=Stv/d
式中:
f———旋渦(wo)的釋放頻(pín)率，Hz
v———流過旋(xuán)渦發生體(ti)的流體平(píng)均速度，m/s
d———旋(xuan)渦發生體(tǐ)特征寬度(du)，m
St———斯特羅哈(hā)數，無量綱(gang)，它的數值(zhí)範圍爲0.14～0.27
St———雷(léi)諾數Re的函(han)數，當Re在102～105範(fan)圍内，St值大(dà)約爲0.2
因此(cǐ)，在測量過(guo)程中，要盡(jin)量滿足流(liú)體的Re在102～105，則(zé)旋渦的頻(pín)🏃率f=0.2v/d。
由此可(kě)知，通過測(cè)量旋渦頻(pín)率f即可得(dé)出流過旋(xuán)渦發生體(tǐ)的流體平(ping)均速度v，再(zài)由公式q=vA即(ji)可求出流(liu)體流量q，其(qí)中A爲流體(ti)流過旋渦(wō)發生體的(de)截面積。
2渦(wō)街流量計(jì)的技術改(gai)進研究
渦(wo)街流量計(jì)主要由渦(wō)街傳感器(qi)和轉換器(qì)兩部分組(zu)成♌。其中傳(chuan)感器包括(kuò)旋渦發生(sheng)體(阻流體(ti))、檢測元件(jian)等☔;轉換器(qi)包🔴括前置(zhi)放大器、濾(lǜ)波整形電(diàn)路、D/A轉換電(dian)路、輸出接(jiē)口電路、端(duān)子等。因此(ci)，渦街流量(liang)計的技術(shu)改進研究(jiu)也主要集(jí)中在這幾(ji)個方面🔆。以(yi)下爲近⚽幾(ji)年來渦街(jie)流量計技(jì)術改進的(de)現狀。
2.1傳感(gǎn)器改進
渦(wo)街流量計(jì)的重要組(zu)成部分是(shi)傳感器，其(qi)靈敏度🈲和(hé)精度都🍓與(yǔ)傳感器直(zhi)接相關，因(yin)此，傳感器(qì)的改進是(shi)渦街流🤟量(liàng)計改進的(de)重✌️點研究(jiū)課題之一(yi)。蔡武昌［1］指(zhi)出流❓量檢(jiǎn)測🐅儀表的(de)關鍵問題(ti)之一是傳(chuán)感器的設(she)計，其預測(cè)流量計💞技(jì)術改進⚽的(de)一個重要(yào)方面是⛱️傳(chuán)感器結構(gòu)設計中應(yīng)該将溫度(du)、壓力、管徑(jing)等參數集(jí)合到流量(liàng)🌈傳感器内(nei)。
渦街流量(liàng)計的缺點(diǎn)是抗幹擾(rao)性能差，震(zhèn)動、強電磁(cí)場、高溫🧑🏾🤝🧑🏼環(huán)境因素等(děng)對渦街流(liú)量計的測(cè)定有很大(da)🌈影響，因此(ci)🥵設計高抗(kàng)⭐幹擾的流(liu)量計是渦(wo)街流量計(jì)🈚研究者的(de)追求❤️。潘岚(lan)等［2］針對這(zhe)一點設計(ji)了懸浮式(shì)差動傳感(gan)器(如圖3所(suǒ)示)，其設計(jì)原理爲，懸(xuán)✍️浮式差動(dong)傳感器B位(wei)于漩渦發(fā)生體的後(hòu)面，懸浮式(shì)差動傳感(gan)器每個檢(jiǎn)測元件使(shi)用4個壓電(diàn)晶體，平闆(pan)兩側分别(bié)對稱固定(ding)❗了兩個檢(jian)測單☂️元，以(yǐ)形成🈲差動(dong)結構。兩壓(ya)電陶瓷片(pian)之間由一(yi)金屬質量(liàng)塊固定🔴成(chéng)一個剛體(tǐ)，同時金屬(shǔ)質量塊作(zuo)爲壓電陶(táo)瓷的輸出(chu)電極，輸出(chū)檢測信号(hao)給電荷放(fang)大電路，并(bing)聯的兩片(pian)壓電晶體(ti)使輸出的(de)渦⛱️街流量(liàng)信号增大(da)，使渦街流(liú)量計輸出(chū)💛信号的信(xìn)噪比得到(dào)很大提高(gao)，實驗結果(guo)表明，安裝(zhuāng)懸浮式差(cha)動傳感器(qì)的渦街流(liú)量計抗幹(gàn)擾性能顯(xian)著改善。
當渦(wo)街傳感器(qi)中漩渦發(fa)生體和壓(ya)電探頭處(chù)于分離狀(zhuàng)态時壓電(dian)探頭的位(wèi)置對渦街(jiē)信号的檢(jian)測具有比(bǐ)較大的影(yǐng)響。因此，壓(yā)電探頭位(wei)置與渦街(jiē)信号幅值(zhí)、頻率之間(jiān)的聯系，不(bú)同旋渦發(fa)生體，最強(qiáng)渦街信号(hao)出現的位(wèi)置也不同(tóng)。通過在DN100和(hé)DN50的水、氣介(jiè)質流量标(biao)準裝置上(shàng)研究發現(xiàn)，傳感器中(zhōng)壓電探頭(tou)的最佳位(wei)置應處于(yu)發生體尾(wei)部且等于(yu)發生體寬(kuan)度處，此距(jù)離與發生(sheng)體寬度呈(chéng)線性正比(bǐ)關系，不随(sui)被測介質(zhì)不同而改(gai)變。這項研(yan)究對于渦(wo)街流量計(ji)傳感器的(de)改進具有(you)實用性和(hé)推廣性。
壓(ya)電晶體渦(wō)街傳感器(qì)中采用的(de)是壓電材(cái)料受力後(hòu)産💚生的電(dian)🍉壓信号作(zuò)爲測試信(xin)号，但是，壓(ya)電晶體👨❤️👨傳(chuán)感器信✏️号(hao)轉換的🔆優(you)劣依賴于(yu)電壓或電(dian)荷放大器(qi)性能的影(yǐng)響。利用與(yǔ)壓電晶體(ti)傳感器同(tong)樣具有小(xiao)功率、高内(nèi)阻且電荷(he)量輸出相(xiàng)似特性的(de)矽光電池(chi)作爲測試(shì)電荷放大(da)器性能的(de)信号發生(shēng)器，矽光電(diàn)池性能穩(wen)🌈定、耐高溫(wen)、耐輻射、轉(zhuǎn)換效率高(gao)和💔頻率相(xiang)應好等💃優(yōu)點，從而保(bǎo)證了測試(shi)電⛹🏻♀️荷放大(da)器頻率響(xiǎng)⛹🏻♀️應特性的(de)準确性。采(cai)用矽光電(dian)池信号發(fā)生器測得(dé)的電荷放(fang)大器下限(xiàn)截止頻率(lǜ)(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與(yǔ)理論仿真(zhen)值(10.61Hz)十分接(jie)近，而采用(yong)壓電信号(hao)發生器時(shí)測得的fL2爲(wei)12Hz，這對壓電(dian)式渦街流(liu)量計💘有很(hen)好的實用(yòng)性意義。
光(guang)纖光栅具(jù)有抗電磁(cí)幹擾、天然(rán)電絕緣性(xìng)、抗腐蝕性(xìng)💯和💃🏻體積🚩小(xiao)等優異性(xing)能，作爲流(liu)量傳感器(qi)元件具有(yǒu)得天獨厚(hòu)的條件⛱️，如(ru)檢測精度(du)高、量程比(bi)寬、介質适(shi)應性強、線(xiàn)性好和易(yi)于實現智(zhì)能控制。李(lǐ)紅民等［5］采(cǎi)用電子濾(lü)波技術把(bǎ)光纖光栅(shan)作爲敏🔴感(gan)元件制作(zuò)了一種光(guāng)纖光栅渦(wo)街流量傳(chuán)感器。實驗(yan)結果表💘明(ming)光纖光栅(shan)渦街流量(liàng)傳感器的(de)量程達到(dào)可以達到(dào)25L/min，線性誤差(cha)僅爲🐇0.42%，具有(yǒu)很好的線(xiàn)性📐度，測量(liàng)精度達到(dao)±0.5%F.S。這種傳感(gǎn)器可以🏒适(shi)用于高溫(wēn)、強輻射、強(qiáng)磁場幹擾(rao)和腐蝕性(xìng)環境如化(hua)學化工、礦(kuàng)山、核電等(deng)領🈲域内各(ge)種氣體和(hé)液體流量(liang)的👉測量。
随(suí)着微電子(zǐ)機械技術(shu)研究的不(bú)斷發展，促(cù)使流量傳(chuán)感器向高(gāo)🤩集成度、高(gāo)精度、微型(xíng)化、高準确(que)可靠性📱方(fang)向發展，适(shi)用于生物(wu)、醫藥、衛生(shēng)等微流體(ti)計量的新(xīn)型微型流(liu)量傳感器(qì)不斷湧現(xiàn)。基于MEMS技術(shu)的流量傳(chuán)感器如熱(re)式微型🌍、流(liú)體振動型(xíng)、差壓型及(ji)仿生型微(wēi)型流量傳(chuan)感器等不(bú)斷出現［7］。
基(jī)于溫差測(cè)量原理推(tuī)出一種測(cè)量低流速(su)氣體流量(liàng)的傳感器(qi)❓，該傳感器(qì)由一對集(ji)成溫度傳(chuan)感器芯片(pian)與片狀鉑(bo)電阻熱源(yuan)構成。在低(di)于0.5cm/s的低流(liú)速下，該傳(chuán)感器仍具(ju)有數十至(zhi)數百毫伏(fú)的輸出信(xìn)号幅度，傳(chuan)感器輸出(chū)電壓與✉️方(fang)根流速成(cheng)近似的線(xiàn)性關系🔱，在(zài)低流速條(tiao)件下該流(liu)量👅傳感器(qì)具有靈敏(min)度和穩定(dìng)性。
渦街流(liu)量計有抗(kàng)幹擾性能(néng)差、量程窄(zhai)等缺點問(wèn)題，針對這(zhè)些問題，從(cóng)渦街信号(hào)的源頭加(jia)以改進，推(tuī)出一種抗(kang)幹擾性🐕能(néng)優異的通(tōng)用渦街流(liu)量傳感器(qì)，提高了渦(wo)街信号💃的(de)信噪比和(he)靈敏度，同(tóng)時加強保(bao)護👅措施，如(ru)對初級信(xìn)号處理電(dian)路㊙️的信号(hào)和輸出信(xìn)号過程的(de)導線進行(háng)屏蔽等，提(ti)高了渦街(jie)流量計的(de)抗幹擾性(xìng)、并提♉高了(le)測量量程(chéng)。測試證實(shi)，渦街流量(liang)計不僅可(kě)以抵抗1.5g以(yi)下的機🤩械(xie)振動幹擾(rǎo)，也實現了(le)大于20∶1的寬(kuan)量程比性(xìng)能。
爲了實現(xiàn)對蒸汽的(de)流量、壓力(li)、溫度和質(zhi)量流量等(děng)多參數🏃♀️準(zhun)确測量，成(chéng)功研制出(chū)集溫度傳(chuán)感器、壓力(li)傳感👌器及(jí)渦街流量(liang)傳感器于(yu)一體的蒸(zhēng)汽渦街流(liu)量計(如圖(tu)4所示)，其中(zhōng)渦街流量(liang)👈傳感器采(cai)用壓電傳(chuan)感器與旋(xuan)渦發生體(ti)分離結構(gòu)的壓電式(shì)⭐通用渦街(jie)流量傳感(gan)器(如圖5所(suo)示)，溫🐕度傳(chuán)感器采用(yong)精度高、可(ke)靠性強、價(jià)格便宜的(de)高溫薄膜(mó)鉑電阻Pt100或(huò)Pt1000傳感🈲器，其(qí)耐溫範圍(wéi)更廣:－200～600℃，采用(yòng)微型獨立(lì)封裝✨;壓力(li)傳感器采(cai)用精度高(gāo)、耐溫穩定(dìng)性好、密封(fēng)可靠的㊙️氩(yà)弧焊封裝(zhuāng)👨❤️👨結構的高(gāo)穩态壓阻(zu)式壓力傳(chuán)感器。對該(gāi)渦街📐流量(liang)計檢定測(cè)試結果爲(wei)1級。目前，覆(fù)蓋從DN15到DN30所(suo)有口徑的(de)該渦街流(liu)量計已經(jīng)工業化批(pi)量生産。
懸(xuán)臂式渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器具有信(xin)号強、響應(yīng)快、工藝🙇♀️好(hǎo)、制作成本(ben)🔞低等優點(dian)，但是它的(de)固有頻率(lǜ)普遍較低(di)，對大流量(liang)信号測定(dìng)或在複雜(za)的環境中(zhong)測量時其(qí)測量精度(dù)會✨受到嚴(yan)重幹擾🏃，爲(wei)此，通🧡過對(duì)渦街流☂️量(liang)傳感器進(jìn)行受力🈲分(fen)析，研究了(le)在一定力(li)下壓電片(pian)的形變量(liàng)、懸臂式渦(wo)街✌️流量傳(chuán)感器固有(you)頻率的決(jué)定因素和(hé)管道振動(dòng)對傳感器(qì)輸出信号(hao)的影響☂️，設(shè)計了兩種(zhong)新型的、具(ju)有較好的(de)抗管道振(zhen)動能力的(de)抗振懸臂(bi)梁渦街流(liú)量傳感器(qì)，實驗✔️表明(ming)，這兩種新(xin)型渦街流(liu)量傳感器(qì)💘具有更💋高(gao)靈敏度。
2.2渦(wo)街信号的(de)處理和轉(zhuan)換電路等(děng)的改進
渦(wō)街流量計(jì)信号的頻(pín)率範圍一(yī)般爲1～2500Hz，易受(shou)噪聲的幹(gàn)擾，設計高(gāo)精度的渦(wo)街信号處(chù)理系統，對(dui)渦街信号(hào)處♋理方式(shì)的改進是(shì)自動化和(hé)儀器儀表(biao)等學術界(jiè)的熱點之(zhī)一。以TMS320F2812芯片(piàn)爲核心控(kòng)制器，利用(yong)2812DSP的l2位16通🔅道(dào)ADC模塊對💘渦(wō)街流量計(jì)傳感器✌️信(xìn)号進行采(cǎi)集，結合🔱FFT周(zhou)期譜圖法(fǎ)對采集信(xin)号進行特(tè)征分析，提(tí)取到有☂️用(yòng)信号，适當(dāng)地抑制确(què)定性噪聲(shēng)。實驗和仿(pang)真驗證了(le)設計系😄統(tǒng)抗幹擾性(xìng)能強，具有(you)可行性和(hé)正确性。以(yi)TMS320LF2407ADSP微處理器(qì)爲核心，通(tong)過前端多(duō)級放大及(ji)濾波，并采(cǎi)用高精✊度(dù)A/D轉換芯片(piàn)，設計了高(gāo)精度渦街(jiē)信👅号處理(li)系統(系統(tong)硬件框架(jia)圖如圖6所(suo)示)。仿真實(shi)驗驗證，該(gāi)系統具有(yǒu)實時性強(qiang)、精度高、性(xìng)價比高等(deng)優點，有🏒潛(qian)在的工業(ye)開發價值(zhi)。利用窗🌈函(hán)數法設計(jì)FIR和了IIR數字(zì)濾波器對(dui)渦街流量(liàng)計的輸出(chu)信号進行(háng)濾波處理(li)，濾波後的(de)波形平滑(hua)了很多，即(jí)将大部分(fen)的噪音信(xìn)号去除，以(yi)提高測定(dìng)流速的準(zhun)确度。
針對渦(wō)街流量計(jì)易被幹擾(rao)的問一種(zhǒng)基于MUSIC算法(fǎ)的渦街信(xin)号處理方(fang)法。在模拟(nǐ)MUSIC算法的基(ji)本原理的(de)基礎上，對(duì)多種噪聲(sheng)環👈境下🔴的(de)渦街信号(hào)進行仿真(zhen)驗證。仿真(zhen)📱驗證結果(guo)表明:MUSIC算法(fǎ)可以有效(xiào)地濾除典(dian)型噪聲，高(gāo)精度地分(fèn)辨🧡頻率點(diǎn)，對改善渦(wō)街流量計(ji)的性能有(yǒu)良好的效(xiao)果。采用經(jīng)驗模态分(fèn)解(EMD)方法對(duì)渦街信号(hao)中幹擾🌍噪(zào)聲進行濾(lǜ)除，得到真(zhen)實的渦街(jie)信号。其基(ji)本方法是(shi)首先将原(yuán)始信号輸(shu)送到二階(jie)低通濾波(bō)器進行幅(fú)值歸一化(huà)，然後将歸(gui)一化後的(de)信号經EMD算(suàn)法分解成(cheng)噪聲💋分量(liàng)和真實渦(wo)街信号分(fèn)量，最後，通(tōng)過施密特(te)🏃♀️阈值翻轉(zhuan)法統計頻(pin)率并判别(bie)出✏️真實的(de)渦街信号(hao)所在的分(fen)量，從而提(ti)取渦街信(xìn)号🏃🏻。通過仿(páng)真試驗分(fèn)析，驗證該(gāi)數🎯字信号(hào)處理方法(fa)的有效性(xing)。以🧑🏾🤝🧑🏼MSP430型單片(pian)機爲核心(xin)對智能渦(wo)街流量計(ji)轉換電路(lu)進行設計(jì)與開發，其(qí)方法是對(dui)渦街傳感(gan)器前置放(fàng)大闆送出(chu)的脈沖信(xìn)号進行采(cǎi)集處理，MSP430輸(shū)出🔅的數字(zi)信号至D/A轉(zhuǎn)換模塊産(chǎn)生标準4～20mA信(xin)号輸出。通(tōng)過電路轉(zhuan)換解決了(le)以往轉換(huàn)電路存在(zai)的功耗大(dà)、性能不穩(wěn)定等問題(ti)。
3結語
随着(zhe)我國經濟(ji)模式的發(fā)展轉變和(hé)人力資源(yuan)成本的不(bu)⭕斷增加以(yi)及新技術(shu)的不斷湧(yǒng)現，大型工(gong)業企業要(yào)求生産設(shè)🥰備的自動(dòng)化、智能化(huà)程度越來(lai)越高☎️，作爲(wei)常用流體(ti)🧑🏽🤝🧑🏻介質的計(jì)量設備———渦(wo)街🈲流量計(ji)也迎✂️來了(le)技術改進(jìn)的最佳時(shí)機，如光纖(xian)光栅傳感(gǎn)技術、超聲(shēng)傳感技術(shu)、光電傳感(gǎn)技術等用(yòng)于渦街流(liú)量計🙇🏻的制(zhì)備，未來的(de)🚶渦街流量(liang)計将🔴更加(jiā)高端、精密(mi)，用于生物(wù)、醫藥、衛生(sheng)健康等行(háng)業的精細(xi)測量的渦(wō)街流🤟量計(jì)将會得到(dao)更大的發(fa)展。
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