摘要:渦(wo)街流量計 是(shi)根據渦街原(yuan)理制備的測(cè)量氣體和液(ye)體流量計量(liàng)儀器，自上世(shi)紀八十年代(dai)以來被廣泛(fan)使用，其技術(shù)也🏃🏻‍♂️不斷進步(bù)。渦街流量計(jì)的旋渦發生(sheng)體(阻流體)、檢(jiǎn)測元件(傳感(gan)器)、前置放大(da)器😍、濾波整形(xíng)電路、D/A轉換電(diàn)路、輸出⚽接口(kǒu)電路等方面(mian)的技術特點(diǎn)和研究進展(zhǎn)進行了綜述(shù)。
　　渦街流量計(ji)是用于氣體(ti)、液體等流體(tǐ)介質的測量(liàng)♌的常用儀器(qì)之一，其應用(yòng)已經從最初(chū)的水蒸氣、水(shuǐ)的測💘量擴展(zhan)到生物學、醫(yi)學、衛生、化學(xue)化工等領域(yu)。随着各種相(xiang)關技術等不(bu)斷提高，渦街(jie)🔴流量計向着(zhe)高、精、尖方向(xiàng)發展。
　　渦街流(liú)量計應用最(zui)多的領域是(shi)石油化工企(qi)業，由于其傳(chuán)感部件可以(yǐ)不直接接觸(chù)被測介質，可(ke)以用于測量(liàng)各類液體、氣(qì)❤️體流📧量，一般(bān)其不鏽鋼旋(xuan)渦發生體和(he)封裝于不鏽(xiù)鋼體的傳🐇感(gǎn)器，能夠耐受(shòu)高溫高壓，可(ke)用于液體、氣(qi)💛體、蒸汽測量(liàng)。現在也有推(tuī)出管❗徑小于(yú)25mm以下的采用(yòng)模壓成型工(gōng)藝的全塑料(liao)産品渦街流(liu)量傳感器，配(pèi)置非接觸的(de)超聲波檢測(ce)元件，可用于(yú)腐蝕性液體(tǐ)和高純淨液(yè)體🐆的流量測(ce)量。在石油化(hua)工、制藥、食品(pǐn)和半導體工(gong)業中㊙️，渦街流(liu)量計有着廣(guǎng)泛的應用，可(ke)以準确測量(liàng)的介質包括(kuo)甲醇🌈、甲醛、丙(bing)酮、甲苯、三氯(lǜ)乙烯💯、乙烯、丁(dīng)烷液氨、空分(fèn)裝置中液氧(yǎng)、液氮流量等(deng)，還有半導體(tǐ)工業純水、超(chao)淨純水等。
　　根(gēn)據卡門(Karman)渦街(jie)原理研制的(de)渦街流量計(ji)主要用于🈲工(gong)業管道介質(zhi)流體如氣體(tǐ)、液體等的流(liú)量測量。渦街(jiē)流量計的特(te)點是量程範(fan)圍大、壓力損(sǔn)失小，在體積(ji)流量💔測量時(shí)幾乎不受流(liu)體密度、溫度(dù)、壓力、粘度等(děng)因素的影響(xiang)，精度高，維護(hù)量小，可靠性(xìng)高，工作溫度(du)範圍較寬(－20～250℃)。信(xìn)号輸出方式(shi)有數字脈沖(chong)信号輸出🏃‍♀️，也(yě)有模拟标準(zhun)💁信号，易于智(zhi)能化、自動化(hua)控制，是大中(zhōng)型企業比較(jiao)先進、理想的(de)介質流量測(ce)量儀器。常見(jian)的渦街流量(liàng)計如圖1所示(shì)。

　　渦街流(liú)量計分類方(fang)法有多種，如(ru)按照檢測方(fang)式分爲熱🍓敏(mǐn)式、電容式、應(yīng)力式、超聲式(shì)、應變式、光電(dian)式、振動體式(shi)和光纖式等(děng);按傳感器與(yu)轉換器組成(chéng)分爲一體型(xíng)和分離型;按(àn)測量原理💃分(fen)爲質量流量(liàng)計和體積流(liu)量計等。本文(wén)在介紹了渦(wo)街流量計工(gong)作原🐕理的基(jī)礎上，對最近(jin)幾年來關于(yú)渦街流量計(jì)的改造現狀(zhuàng)進行了總結(jié)述評，以期⚽進(jìn)一步推動渦(wō)街流♈量計發(fa)展。
1渦街流量(liang)計的基本原(yuán)理
　　渦街流量(liàng)計中卡門渦(wo)街形成基本(běn)原理如圖2所(suǒ)示。

　　正如圖2所(suǒ)示，處于流體(tǐ)中的三角柱(zhu)是旋渦發生(sheng)體，當流體從(cóng)✂️旋渦發生體(tǐ)兩側流過時(shí)，産生有規則(zé)的交替旋渦(wō)🐉———卡門旋渦，這(zhe)些規則交替(tì)的旋渦在旋(xuan)渦發生體下(xià)遊非對稱地(di)🙇‍♀️排列。旋渦的(de)釋放頻率f與(yǔ)流‼️過旋渦發(fa)生體的流體(tǐ)平均速度及(jí)旋渦😄發生體(ti)特征寬度有(you)關，可用下式(shi)表示:
f=Stv/d
式中:
f———旋(xuan)渦的釋放頻(pin)率，Hz
v———流過旋渦(wo)發生體的流(liu)體平均速度(dù)，m/s
d———旋渦發生體(tǐ)特征寬度，m
St———斯(si)特羅哈數，無(wu)量綱，它的數(shù)值範圍爲0.14～0.27
St———雷(léi)諾數Re的函數(shù)，當Re在102～105範圍内(nèi)，St值大約爲0.2
因(yīn)此，在測量過(guò)程中，要盡量(liàng)滿足流體的(de)Re在102～105，則旋渦🔴的(de)頻率f=0.2v/d。
　　由此可(ke)知，通過測量(liàng)旋渦頻率f即(ji)可得出流過(guò)旋渦發生體(tǐ)的流體平均(jun1)速度v，再由公(gōng)式q=vA即可求出(chu)流體流量q，其(qi)中A爲流體流(liú)過旋渦發生(sheng)體的截面積(ji)。
2渦街流量計(jì)的技術改進(jin)研究
　　渦街流(liu)量計主要由(you)渦街傳感器(qì)和轉換器兩(liǎng)部分🏒組❄️成。其(qí)🤟中傳感器包(bāo)括旋渦發生(shēng)體(阻流體)、檢(jian)測元件等;轉(zhuǎn)換🐅器包⛷️括前(qián)置放大器、濾(lǜ)波整形電路(lu)、D/A轉換電路、輸(shu)出接口電路(lu)、端子等。因此(ci)，渦街流量計(jì)的技術改進(jìn)研🥵究也主要(yào)集中在這幾(ji)個方面🐕。以下(xia)爲近幾年來(lai)渦街流量計(jì)技術改進的(de)現狀。
2.1傳感器(qì)改進
　　渦街流(liú)量計的重要(yào)組成部分是(shì)傳感器，其靈(líng)敏度和精度(du)都🔴與傳感器(qi)直接相關，因(yin)此，傳感器的(de)改進是渦街(jiē)流量計改進(jin)的重⁉️點研究(jiu)課題之一。蔡(cai)武昌［1］指出流(liu)量檢測♉儀表(biǎo)的關鍵問題(ti)之一是傳感(gan)器的設計，其(qí)預測流量計(jì)技術改進的(de)一個重要方(fāng)面是🌈傳感器(qì)結構設計中(zhong)應該将溫度(du)、壓力、管徑等(děng)參數🔞集合到(dào)流量傳感器(qì)内。
　　渦街流量(liàng)計的缺點是(shi)抗幹擾性能(néng)差，震動、強電(dian)磁場🌈、高溫環(huan)境因素等對(dui)渦街流量計(jì)的測定有很(hěn)大影響🐉，因此(ci)設計高抗幹(gàn)擾的流量計(ji)是渦街流量(liàng)計研究者的(de)追求。潘岚等(deng)［2］針對這一點(dian)設計了懸浮(fú)式差動傳感(gan)器(如圖3所示(shi))，其設計原理(li)爲，懸☔浮式差(cha)動傳感器B位(wèi)于漩渦發生(shēng)體的後面，懸(xuán)浮🧑🏽‍🤝‍🧑🏻式差動傳(chuan)感器每個檢(jiǎn)測元件使用(yòng)4個壓電晶體(ti)，平闆兩側🏃🏻‍♂️分(fen)别對稱固定(ding)了兩個檢測(ce)單元，以形成(chéng)差動結構。兩(liang)壓電🏃🏻陶瓷片(piàn)之間由一🐇金(jin)屬質量塊固(gu)定🙇🏻成🌍一個剛(gāng)體，同時金屬(shu)質量塊作爲(wèi)壓電陶瓷的(de)輸出電極，輸(shu)出👨‍❤️‍👨檢測信号(hao)給電荷📱放大(da)電路，并聯的(de)兩片🏃‍♀️壓電晶(jīng)體🔞使輸出的(de)渦街流量信(xìn)号增大，使渦(wō)街流量計輸(shu)出信号的信(xin)噪比得到很(hěn)大提高，實驗(yan)結果表明，安(an)裝㊙️懸浮式差(chà)動傳感器的(de)渦街流量計(jì)抗幹擾性能(néng)顯著改善。

　　當(dāng)渦街傳感器(qi)中漩渦發生(sheng)體和壓電探(tan)頭處于分離(li)狀态時壓電(dian)探頭的位置(zhì)對渦街信号(hao)的檢測具有(yǒu)比較大的影(ying)響。因此，壓電(diàn)探頭位置與(yǔ)渦街信号幅(fú)值、頻率之間(jiān)的聯系，不同(tong)旋渦發生體(ti)，最強渦街信(xìn)号出現的位(wèi)置也不同。通(tōng)過在DN100和DN50的水(shui)、氣介質流量(liàng)标準裝置上(shàng)研究發現，傳(chuán)感器中壓電(dian)探頭的最佳(jia)位置應處于(yu)發生體尾部(bu)且等于發生(sheng)體寬度處，此(cǐ)距離與發生(shēng)體寬度呈線(xiàn)性正比關系(xì)，不随被測介(jie)質不同而改(gǎi)變。這項研究(jiū)對于渦街流(liú)量計傳感器(qì)的改進具有(you)實用性和推(tui)廣性。
　　壓電晶(jīng)體渦街傳感(gǎn)器中采用的(de)是壓電材料(liào)受力後産生(sheng)的電壓信号(hào)作爲測試信(xìn)号，但是，壓電(diàn)晶體傳感❓器(qì)信号轉換的(de)優劣依賴于(yu)電壓或電荷(hé)放大器性能(néng)的影響。利用(yòng)與壓電晶體(ti)傳感器同樣(yàng)具有小功率(lǜ)、高内阻且電(dian)荷量輸出相(xiàng)似特性的矽(xi)光電池作爲(wei)測試電荷放(fàng)大器性能的(de)信号💋發生器(qì)，矽光電池性(xìng)能穩定、耐高(gāo)溫、耐輻射、轉(zhuǎn)換效率高和(he)頻率相應好(hǎo)等優點，從而(ér)保證了測試(shì)電🔅荷放大器(qì)頻率響應特(tè)性的準确性(xing)。采用矽光電(dian)池信号發生(shēng)器測得的電(dian)荷放大器下(xià)限截止頻率(lǜ)(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與理(lǐ)論仿真值(10.61Hz)十(shi)分接近，而采(cǎi)用壓電信号(hào)發生器時測(cè)得的fL2爲12Hz，這對(dui)壓電☁️式渦街(jiē)流量🐅計有很(hen)好的實用性(xing)意義。
　　光纖光(guāng)栅具有抗電(diàn)磁幹擾、天然(ran)電絕緣性、抗(kàng)腐蝕㊙️性和體(ti)積小等優異(yì)性能，作爲流(liu)量傳感器元(yuán)件具有得天(tiān)獨厚的條件(jian)，如檢測精度(dù)高、量程比寬(kuān)、介質适應性(xìng)強、線性好和(hé)易🏃🏻‍♂️于實現智(zhì)能控制。李紅(hóng)民等［5］采用電(dian)子濾波技術(shu)把光纖光栅(shan)作爲敏感元(yuán)件制作了一(yi)種光纖光栅(shān)渦街流量傳(chuán)感器。實驗結(jie)果表明光纖(xian)光栅渦街流(liu)量傳感器的(de)量程達到可(ke)🈲以達👣到25L/min，線性(xìng)誤🔱差僅爲0.42%，具(jù)有很好的線(xian)性💜度，測量精(jīng)度達到🆚±0.5%F.S。這種(zhǒng)傳感器可以(yǐ)适用于高溫(wēn)、強輻射、強磁(ci)場幹擾和腐(fu)蝕✨性環境如(ru)化學化工、礦(kuang)山、核電等領(lǐng)域内各種氣(qì)體和液體流(liu)量的測量。
　　随(sui)着微電子機(jī)械技術研究(jiū)的不斷發展(zhǎn)，促使流量傳(chuán)感器向高集(jí)成度、高精度(dù)、微型化、高準(zhun)确可靠性🛀🏻方(fang)向❗發展，适用(yong)于生物、醫藥(yào)、衛生等微流(liú)體計量的新(xin)型微🔴型流量(liang)傳感器不斷(duàn)湧現。基于⚽MEMS技(jì)術的流量傳(chuan)感器如熱式(shi)微型🏃🏻、流體振(zhen)動型、差壓型(xing)及仿生型🙇‍♀️微(wēi)型流量傳感(gǎn)器等不斷出(chu)現［7］。
　　基于溫差(cha)測量原理推(tui)出一種測量(liang)低流速氣體(ti)流量的傳感(gan)器，該傳感器(qì)由一對集成(chéng)溫度傳感器(qi)芯片與片狀(zhuang)鉑電☁️阻熱源(yuán)構成。在低于(yu)0.5cm/s的低流速下(xia)，該🔱傳感器仍(reng)具有數十至(zhi)數百毫伏的(de)輸出信号幅(fu)度，傳感器輸(shū)出電壓與方(fāng)根流速🚶‍♀️成近(jin)似的💔線性關(guan)系，在低流速(su)條件下該流(liu)量傳感器具(jù)有靈敏度和(he)穩定性。
　　渦街(jie)流量計有抗(kang)幹擾性能差(cha)、量程窄等缺(que)點問題，針對(duì)🆚這些問題，從(cóng)渦街信号的(de)源頭加以改(gai)進，推出一種(zhǒng)抗幹⛱️擾性能(néng)優異的通用(yòng)渦街流量傳(chuan)感器，提高了(le)渦街信号的(de)信噪比和靈(líng)敏度，同時加(jia)強保護措施(shī)，如對🤞初級信(xìn)号處理電路(lu)的信号和輸(shū)出信号♈過程(cheng)的導線進行(háng)屏蔽等，提高(gāo)了渦街流量(liàng)計的抗幹擾(rǎo)性、并提高了(le)測量量程。測(ce)試證實，渦街(jie)流量計不僅(jǐn)可以抵抗1.5g以(yi)下的機械振(zhèn)動幹擾，也實(shí)現了大⛹🏻‍♀️于🔆20∶1的(de)寬量程比性(xing)能💜。

　　爲了(le)實現對蒸汽(qì)的流量、壓力(lì)、溫度和質量(liàng)流量等多參(cān)數準确測量(liàng)，成功研制出(chū)集溫度傳感(gan)器、壓力⛷️傳感(gan)器及渦街流(liú)量傳感器于(yú)一體的蒸汽(qi)渦街流量計(jì)(如❤️圖4所示)，其(qí)中渦街流量(liàng)傳感器采用(yòng)壓電傳♋感器(qì)與旋渦發生(sheng)體🌍分離結構(gòu)的壓電式❓通(tong)用渦街流量(liang)傳感器(如圖(tú)5所示)，溫度傳(chuán)感器采用精(jīng)度高、可靠性(xìng)強、價格便宜(yí)的高溫薄膜(mó)鉑電阻Pt100或Pt1000傳(chuán)感器，其耐溫(wēn)範圍更廣:－200～600℃，采(cai)用微型獨立(lì)封裝;壓力傳(chuán)感器采👌用精(jīng)度高、耐溫穩(wen)定👅性好、密封(fēng)可靠的氩弧(hú)焊封裝㊙️結構(gòu)的高🧡穩态壓(yā)阻式壓力傳(chuan)感器。對該渦(wo)街流量🔞計檢(jiǎn)定測試結果(guo)爲1級。目前，覆(fù)蓋從DN15到DN30所有(yǒu)口徑的該渦(wō)街流量計已(yǐ)經工業化批(pi)量生産。
　　懸臂(bì)式渦街流量(liàng)傳感器具有(yǒu)信号強、響應(ying)快、工藝好🛀、制(zhì)👌作成本🥵低等(děng)優點，但是它(ta)的固有頻率(lǜ)普遍較低，對(dui)大流量信号(hào)測定或在複(fu)雜的環境中(zhōng)測量時其測(ce)量精度會受(shòu)到嚴重幹擾(rǎo)，爲此，通過對(duì)渦街流量傳(chuán)感器進行受(shou)力分析，研究(jiū)了在一定力(lì)下壓電🏃‍♂️片的(de)形變量🛀、懸臂(bì)式渦街流量(liang)傳感器固有(yǒu)頻率的決定(ding)因素和管‼️道(dao)振動對傳感(gǎn)器輸出信号(hào)的影響，設計(ji)了兩種新型(xing)的、具有較好(hǎo)的抗管道振(zhen)動能力的抗(kang)振懸臂梁渦(wo)街🌈流量傳感(gan)器，實驗表明(ming)，這兩種新型(xíng)渦街流量傳(chuan)感器❗具有更(geng)高靈敏度。
2.2渦(wo)街信号的處(chu)理和轉換電(diàn)路等的改進(jìn)
　　渦街流量計(ji)信号的頻率(lü)範圍一般爲(wèi)1～2500Hz，易受噪聲的(de)幹擾🔞，設計高(gao)精度的渦街(jie)信号處理系(xi)統，對渦街信(xin)🐆号處理方式(shi)的♻️改進是自(zi)動化和儀器(qì)儀表等學術(shu)界的熱點之(zhi)一。以TMS320F2812芯片爲(wei)核心控制器(qi)，利用2812DSP的l2位16通(tong)道ADC模塊對渦(wo)街流量計傳(chuán)感器信号進(jin)行采集，結合(he)FFT周期譜圖法(fǎ)對采集信号(hao)進行特征分(fen)析，提取到有(yǒu)用信号，适當(dang)地抑制确定(dìng)性噪💋聲。實驗(yàn)和仿真驗證(zheng)了設計系統(tǒng)抗幹🏃擾性能(neng)🎯強，具有可行(hang)性和正确性(xing)。以TMS320LF2407ADSP微處理器(qì)爲核心，通過(guò)前端多級放(fang)大及濾波，并(bìng)采用高精度(du)A/D轉換芯片🌍，設(shè)計了♌高精度(dù)渦街信号處(chu)理系統(系統(tong)硬件框架圖(tú)如圖6所示)。仿(pang)真實驗驗證(zheng)，該系統具有(yǒu)實時性強、精(jing)度高、性價比(bi)高等優點，有(yǒu)潛在的工業(ye)開發價值。利(lì)用窗函數法(fa)設計FIR和了IIR數(shu)字濾波器🈲對(dui)渦街流量計(jì)的輸出信号(hào)進📞行濾波處(chù)✏️理，濾波後的(de)波形平滑了(le)很多，即将大(dà)部分的噪音(yin)🏃‍♂️信号去除，以(yǐ)提高測定流(liú)速的準确度(du)👄。

　　針(zhēn)對渦街流量(liang)計易被幹擾(rao)的問一種基(jī)于MUSIC算法的渦(wō)街信🐇号💰處理(lǐ)方法。在模拟(ni)MUSIC算法的基本(ben)原理的基礎(chǔ)上，對多種噪(zào)聲環境下的(de)渦街信号進(jin)行仿真驗證(zhèng)。仿真驗證結(jie)果表明:MUSIC算法(fǎ)可以有效地(dì)濾除典型🐕噪(zao)聲，高精度地(di)分辨頻率點(dian)，對🌈改善渦街(jie)♊流量計的性(xing)能有良好的(de)效果。采用㊙️經(jīng)驗模态分解(jie)(EMD)方法對渦街(jiē)信号中幹擾(rǎo)噪聲進行濾(lü)除，得到真實(shí)的渦街信号(hào)。其基本方法(fǎ)是首先将原(yuan)始信号輸送(sòng)到二階低通(tōng)濾波器進行(hang)幅值歸一化(huà)，然後将歸一(yi)化後的信号(hào)經EMD算法分解(jie)成噪聲分量(liàng)和真實渦街(jiē)信号分量，最(zui)後，通過施密(mi)特阈值翻轉(zhuan)法統計頻率(lü)并判别出真(zhēn)實的渦街信(xìn)号所在的分(fen)量，從而提取(qu)渦街信号。通(tōng)過仿真試驗(yan)分析，驗證該(gai)數🤩字信号處(chu)理方法的有(yǒu)效性。以🐉MSP430型單(dan)片機爲核心(xin)對智能渦街(jie)流量計轉換(huan)電路進行設(she)計與開發，其(qí)方法是對渦(wo)街傳感器前(qián)置放大闆送(song)出的脈沖信(xin)号進行采🤞集(ji)處理，MSP430輸出🔴的(de)數字信号😘至(zhi)D/A轉換模塊産(chan)生标準4～20mA信号(hao)輸出。通過💔電(dian)路轉換解決(jue)了以往轉換(huan)電路存在的(de)功耗大、性💃🏻能(néng)不穩定等問(wen)題。
3結語
　　随着(zhe)我國經濟模(mo)式的發展轉(zhuǎn)變和人力資(zī)源成本的不(bú)👣斷增😄加以及(jí)新技術的不(bu)斷湧現，大型(xíng)工業企業要(yao)求生産設備(bèi)的自動化、智(zhi)能化程度越(yue)來越高✔️，作爲(wèi)常用流體介(jiè)質的計量設(shè)🌈備———渦街流量(liang)計也迎來了(le)技術改進的(de)最🤟佳時機，如(rú)💜光纖光栅傳(chuan)感技術、超聲(sheng)傳感技術、光(guang)電傳感技術(shù)等用于渦街(jie)流量計🈚的制(zhì)備，未來的渦(wo)街流量計将(jiāng)🍓更加高端、精(jīng)密，用于生物(wu)、醫藥、衛生健(jian)康等行業的(de)精細測量的(de)渦街流量計(ji)将會得到更(gèng)大🔞的發展。

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