0 引(yǐn)言
　　 流量(liàng)計 是指(zhi)示被測(ce)流量和(he)在選定(ding)時間間(jiān)隔内流(liu)體總量(liang)的儀表(biao)。流量計(jì)的種類(lei)類别非(fēi)常多，利(li)用的測(cè)量原理(lǐ)也各不(bu)相同，有(yǒu)力學原(yuan)理、熱學(xue)原理、電(diàn)學原理(lǐ)及光學(xue)原理等(děng)。當前 , 在(zài)氣體及(ji)低粘度(dù)液體流(liu)量計選(xuǎn)型中 , 由(you)于孔闆(pan)流量計(ji)有悠久(jiǔ)的曆史(shi)背景，各(gè)種試驗(yan)數據齊(qi)全。結構(gòu)簡單，無(wu)可動部(bu)件，标準(zhun)化程度(dù)高，可不(bu)必進行(háng)實流标(biao)定等優(you)點，被廣(guang)泛使用(yòng)。
　　 孔闆流(liu)量計 屬(shu)于差壓(ya)式流量(liàng)計，流體(ti)流過管(guǎn)體内的(de)節流裝(zhuāng)置，在節(jie)流裝置(zhì)周圍産(chǎn)生收縮(suo)，利用壓(ya)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(kong)闆，即中(zhōng)央開有(yǒu)圓孔的(de)金屬闆(pǎn)，其結構(gòu)如圖 1 所(suǒ)示。安裝(zhuāng)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(yā)力差轉(zhuǎn)換爲電(dian)壓量，然(ran)後與壓(yā)差計相(xiàng)連，即構(gou)成孔闆(pan)流量計(ji)。由于孔(kǒng)闆流量(liàng)計是通(tōng)過産生(sheng)壓力損(sǔn)失進行(háng)流量檢(jiǎn)測，所以(yi)壓力損(sǔn)失較大(dà)，通常高(gao)達 10 ～ 20kpa。由于(yu)孔闆流(liú)量計的(de)流量系(xì)數與雷(lei)諾系數(shù)有關，它(tā)的測量(liang)範圍比(bi)較窄，量(liang)程範圍(wéi)一般爲(wei) 3:1 ～ 4:1，而且孔(kǒng)闆流量(liang)計在實(shí)際應用(yòng)中，由于(yu)安裝複(fú)雜，整個(ge)壓力傳(chuan)遞路徑(jìng)中易受(shòu)到洩漏(lou)、冷凝壺(hu)及下遊(yóu)導壓管(guǎn)位置偏(piān)差、孔闆(pan)同心度(du)、垂直度(du)等衆多(duō)因素的(de)影響，實(shí)際精度(du)難以确(que)定。

　　因(yīn)此，爲了(le)解決孔(kong)闆流量(liang)計在測(ce)量時存(cun)在的諸(zhū)多問題(ti)，渦街流(liu)量計 應(yīng)運而生(sheng)。
1 渦街流(liú)量計的(de)優缺點(diǎn)
　　渦街流(liú)量計在(zai)諸多應(yīng)用方面(mian)都優于(yú)傳統的(de)孔闆流(liu)量計。比(bǐ)如，孔闆(pǎn)流量計(ji) 1 個測量(liang)回路靜(jìng)密封點(dian)爲 20 個左(zuǒ)右。相比(bǐ)而言，渦(wo)街流量(liàng)計的靜(jing)密封點(dian)隻有 3 個(ge)，不容易(yì)洩漏 ，它(tā)不受流(liú)體溫度(du)、壓力還(hai)有密度(dù)等影響(xiǎng)，流量系(xì)數長期(qī)不變[1]。
　　但(dan)是渦街(jie)流量計(jì)在使用(yòng)的時候(hòu)，也存在(zai)一些問(wèn)題。
1）由于(yú)渦街流(liu)量計的(de)原始信(xìn)号爲頻(pín)率信号(hào)，緻使渦(wō)街流量(liàng)計實際(ji)爲一種(zhong)數字式(shi)儀表。它(ta)隻要能(neng)正常工(gong)作，精度(dù)一定有(yǒu)保證。但(dan)是一旦(dàn)不能正(zhèng)常工作(zuò)，産生的(de)測量誤(wù)差将非(fei)常大，甚(shèn)至連流(liú)量的變(bian)化趨勢(shì)都不能(neng)指示，徹(che)底不能(néng)工作。
2）漩(xuan)渦升力(li)與流量(liang)的平方(fāng)呈正比(bǐ)、與流體(ti)的密度(du)呈正比(bǐ)。因此，流(liú)量減小(xiao)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(liang)檢測時(shí)，因低密(mì)度、低流(liú)速導緻(zhì)渦街信(xìn)号微弱(ruo)，極易湮(yan)沒在幹(gan)擾之中(zhong)，流量計(jì)無法正(zhèng)确識别(bie)出漩渦(wo)，緻使測(cè)量失敗(bài)。
3）由于渦(wō)街流量(liàng)計傳感(gan)器必須(xu)敏感檢(jiǎn)測小流(liú)量時微(wei)小的渦(wo)街升力(li)，直接限(xian)制了傳(chuan)感器的(de)結構。針(zhen)對以上(shàng)一些問(wèn)題，下面(mian)将做部(bu)分探讨(tǎo)。
2 渦街流(liu)量計工(gong)作原理(li)與結構(gou)
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(dao)渦街現(xian)象，比如(ru)風中的(de)旗幟，由(you)于旗杆(gǎn)産生的(de)渦街而(er)擺動，風(fēng)越大，旗(qí)幟擺動(dong)越快－－擺(bai)動與風(feng)速呈正(zhèng)比。還有(yǒu)橋墩、煙(yan)囪、高樓(lóu)的設計(jì)均需考(kǎo)慮渦街(jie)的破壞(huai)力。
　　渦街(jie)流量計(jì)就是參(can)考日常(cháng)生活中(zhong)渦街現(xian)象的原(yuan)理，在管(guan)道中插(cha)入合适(shi)大小和(hé)形狀的(de)柱體（即(jí)渦街發(fa)生體）。當(dāng)流體流(liu)過時，在(zai)渦街發(fā)生體後(hòu)兩側産(chan)生交替(tì)排列的(de)漩渦，這(zhe)種漩渦(wo)被稱爲(wei)卡門漩(xuan)渦。漩渦(wō)的頻率(lǜ)與流量(liang)呈正比(bi)。可用下(xia)式表示(shì)：

式（1）中：f 爲(wèi)漩渦的(de)頻率；v 爲(wèi)流過渦(wō)街發生(shēng)體的流(liú)體的平(píng)均速度(dù)；d 爲渦街(jiē)發生體(tǐ)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(cǐ)，通過測(cè)量漩渦(wo)的頻率(lü)就可以(yǐ)計算出(chū)流過渦(wō)街發生(shēng)體的流(liu)體平均(jun1)速度 v，再(zai)由下式(shi) ：

可以求(qiu)出流量(liang) q。其中，A 爲(wei)流體流(liú)過渦街(jie)發生體(ti)的截面(mian)積。
2.2 渦街(jiē)流量計(jì)的結構(gòu)
　　渦街流(liú)量計的(de)基本結(jié)構爲傳(chuán)感器和(hé)轉換器(qì) 2 大部分(fen)。傳感器(qi)包含渦(wō)街發生(shēng)體、檢測(cè)元件等(děng)；轉換器(qi)包含有(yǒu)放大電(diàn)路、濾波(bo)整形電(diàn)路以及(ji) D/A 轉換電(dian)路等；渦(wo)街發生(shēng)體常見(jian)的有圓(yuan)柱型、T 型(xíng)柱、四角(jiao)柱和三(sān)角柱。目(mu)前采用(yòng)較多，反(fan)饋最好(hǎo)的是三(sān)角柱型(xíng)的渦街(jie)發生體(ti)。檢測元(yuán)件有壓(ya)電晶片(pian)、熱敏電(diàn)阻、超聲(sheng)波和應(yīng)變片差(chà)動電容(rong)等。轉換(huan)器部分(fen)基本都(dōu)智能化(hua)了，把微(wei)處理器(qì)芯片都(dōu)安裝其(qi)中。渦街(jie)流量可(ke)直接在(zai)管道上(shàng)安裝、互(hù)換性強(qiang)、體積小(xiao)、長期運(yùn)行精度(dù)高，可适(shì)用于大(da)多數液(yè)體、蒸汽(qì)和氣體(tǐ)的測量(liàng)。3 小流量(liàng)、低流速(sù)測量的(de)限制問(wen)題。
　　基于(yu)渦街流(liu)量計的(de)原理，流(liu)量信号(hào)的強度(dù)與流量(liàng)的平方(fang)成正比(bǐ)，即流速(sù)降低時(shi)，渦街信(xìn)号将以(yi)平方關(guan)系急劇(ju)下降。圖(tú) 2 顯示流(liu)量由零(líng)增大時(shí)，渦街信(xìn)号的波(bo)形記錄(lù)。在相同(tóng)條件之(zhi)下，1m/s 流速(su)的氣體(tǐ)産生的(de)漩渦力(li)僅是 5m/s 流(liú)速時的(de) 1/25。爲保證(zheng)小流量(liàng)的檢測(ce)，必須具(jù)備極高(gāo)的漩渦(wo)振動檢(jiǎn)測靈敏(min)度，将流(liú)量信号(hào)放大千(qiān)倍，由此(ci)導緻渦(wo)街流量(liang)計對于(yú)蒸汽管(guan)道的振(zhen)動極爲(wèi)敏感，無(wu)流量時(shí)指示的(de)實際爲(wei)振動幹(gan)擾信号(hao)，這是渦(wo)街流量(liang)計在實(shí)際應用(yòng)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(dian)晶片來(lai)檢測漩(xuán)渦的頻(pin)率 f，由此(cǐ)得到電(diàn)壓信号(hào)。此電壓(yā)信号需(xū)要經過(guo)放大電(dian)路和觸(chu)發裝置(zhi)，将漩渦(wo)頻率最(zui)終變成(cheng)儀器所(suo)能顯示(shì)的脈沖(chong)信号。此(ci)脈沖信(xìn)号再次(cì)送入轉(zhuǎn)換儀表(biǎo)裝置換(huan)算成可(kě)顯示的(de)被測流(liú)量。其中(zhong)，放大器(qi)的放大(da)倍數 A 和(hé)觸發器(qì)的門限(xian)電壓均(jun)可以進(jin)行調整(zhěng)。如圖 3 所(suǒ)示。

圖 3 中輸(shu)入信号(hào)電壓爲(wei) E，噪聲信(xìn)号轉換(huàn)到電壓(ya)輸入端(duan)爲 V, 門限(xiàn)電壓 U 通(tōng)過放大(dà)器輸出(chu)爲 u, 放大(da)器的放(fang)大倍數(shù)爲 A。因 u=AU，所(suǒ)以改變(bian) A 或者 U 的(de)效果是(shì)相同的(de)[2]。
如圖 4 所(suo)示。要使(shi)得觸發(fa)器的輸(shū)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(xìn)号 u 遠大(da)于噪聲(sheng)信号。因(yīn)此，渦街(jie)流量計(jì)正常工(gōng)作的必(bi)要條件(jiàn)是：E > u > V。

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

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

5 結束(shù)語
　　由于(yú)渦街流(liu)量計容(róng)易與數(shu)字電子(zi)設備配(pei)套使用(yòng)，所以是(shì)一種比(bǐ)較先進(jin)、理想的(de)測量儀(yi)器。漩渦(wō)升力與(yǔ)流量的(de)平方呈(chéng)正比、與(yu)流體的(de)密度呈(cheng)正比。因(yin)此，當小(xiǎo)流量、低(dī)流速或(huo)大流量(liàng)、高流速(sù)的時候(hou)，對渦街(jiē)流量計(jì)提出了(le)比較高(gāo)的要求(qiú)。針對這(zhe)個問題(tí)，本文做(zuò)了相應(yīng)的探讨(tǎo)。爲了使(shǐ)渦街流(liú)量計盡(jin)可能測(cè)量低流(liu)速、小流(liu)量，必須(xū)提高信(xìn)噪比，采(cǎi)用差動(dòng)壓電傳(chuán)感器和(hé)差動放(fàng)大電路(lù)，盡量提(ti)高有效(xiao)流量信(xìn)号的幅(fú)值而降(jiàng)低機械(xiè)振動幹(gàn)擾信号(hao)的幅值(zhi)。針對高(gāo)流速、大(dà)流量産(chǎn)生漏波(bō)現象的(de)問題，采(cǎi)用頻譜(pu)分析和(hé)動态濾(lü)波的方(fāng)法，盡量(liàng)減少漏(lòu)波現象(xiàng)。圖 7 爲未(wei)處理時(shí)流量計(ji)輸出的(de)傳感器(qi)信号和(hé)放大器(qi)輸出信(xìn)号。圖 7（a）上(shàng)部爲傳(chuán)感器輸(shu)出的原(yuan)始信号(hào)，下部爲(wei)放大器(qì)輸出信(xin)号；圖 7（b）爲(wei)展開的(de)視圖。圖(tú) 8 爲處理(li)後流量(liàng)計輸出(chu)的傳感(gan)器信号(hao)和放大(dà)器輸出(chū)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(tú) 8（b）爲展開(kāi)的視圖(tú)。

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