0 引言
　　 流量計 是(shi)指示被測流量和(hé)在選定時間間隔(ge)内流體總量的儀(yi)表。流量計的種類(lèi)類别非常多，利用(yong)的測量原理也各(ge)不相同，有力學原(yuán)理、熱學原理、電學(xué)原理及光學原理(li)等。當前 , 在氣體及(ji)低粘度液體流量(liàng)計選型中 , 由于孔(kǒng)闆流量計有悠久(jiu)的曆史背景，各種(zhong)試驗數據齊全。結(jié)構簡單，無可動部(bu)件，标準化程度高(gao)，可不必進行實流(liu)标定等優點，被廣(guang)泛使用。
　　 孔闆流量(liàng)計 屬于差壓式流(liu)量計，流體流過管(guǎn)體内的節流裝置(zhì)，在節流裝置周圍(wei)産生收縮，利用壓(yā)力差來測量流體(tǐ)流速。孔闆流量計(ji)的節流裝置爲孔(kǒng)闆，即中央開有圓(yuan)孔的金屬闆，其結(jie)構如圖 1 所示。安裝(zhuang)時将孔闆垂直放(fàng)置在管道中，測取(qu)孔闆前後兩端的(de)壓力差，用傳感器(qì)把感知的壓力差(cha)轉換爲電壓量，然(rán)後與壓差計相連(lián)，即構成孔闆流量(liang)計。由于孔闆流量(liang)計是通過産生壓(yā)力損失進行流量(liàng)檢測，所以壓力損(sǔn)失較大，通常高達(dá) 10 ～ 20kpa。由于孔闆流量計(ji)的流量系數與雷(lei)諾系數有關，它的(de)測量範圍比較窄(zhai)，量程範圍一般爲(wèi) 3:1 ～ 4:1，而且孔闆流量計(jì)在實際應用中，由(yóu)于安裝複雜，整個(gè)壓力傳遞路徑中(zhōng)易受到洩漏、冷凝(níng)壺及下遊導壓管(guan)位置偏差、孔闆同(tong)心度、垂直度等衆(zhong)多因素的影響，實(shí)際精度難以确定(dìng)。

　　因此，爲了(le)解決孔闆流量計(jì)在測量時存在的(de)諸多問題，渦街流(liú)量計 應運而生。
1 渦(wō)街流量計的優缺(quē)點
　　渦街流量計在(zai)諸多應用方面都(dōu)優于傳統的孔闆(pǎn)流量計。比如，孔闆(pan)流量計 1 個測量回(huí)路靜密封點爲 20 個(gè)左右。相比而言，渦(wō)街流量計的靜密(mì)封點隻有 3 個，不容(róng)易洩漏 ，它不受流(liú)體溫度、壓力還有(you)密度等影響，流量(liàng)系數長期不變[1]。
　　但(dan)是渦街流量計在(zai)使用的時候，也存(cun)在一些問題。
1）由于(yu)渦街流量計的原(yuán)始信号爲頻率信(xin)号，緻使渦街流量(liang)計實際爲一種數(shù)字式儀表。它隻要(yào)能正常工作，精度(du)一定有保證。但是(shì)一旦不能正常工(gōng)作，産生的測量誤(wù)差将非常大，甚至(zhì)連流量的變化趨(qu)勢都不能指示，徹(che)底不能工作。
2）漩渦(wō)升力與流量的平(ping)方呈正比、與流體(ti)的密度呈正比。因(yin)此，流量減小時，渦(wo)街信号以 2 階關系(xì)急劇減弱，而氣體(ti)的渦街信号遠低(di)于液體。在用于氣(qi)體流量檢測時，因(yīn)低密度、低流速導(dao)緻渦街信号微弱(ruò)，極易湮沒在幹擾(rǎo)之中，流量計無法(fǎ)正确識别出漩渦(wō)，緻使測量失敗。
3）由(you)于渦街流量計傳(chuán)感器必須敏感檢(jian)測小流量時微小(xiǎo)的渦街升力，直接(jiē)限制了傳感器的(de)結構。針對以上一(yī)些問題，下面将做(zuò)部分探讨。
2 渦街流(liu)量計工作原理與(yu)結構
2.1 渦街流量計(jì)的工作原理
　　在日(ri)常生活中經常能(neng)看到渦街現象，比(bǐ)如風中的旗幟，由(you)于旗杆産生的渦(wo)街而擺動，風越大(da)，旗幟擺動越快－－擺(bǎi)動與風速呈正比(bǐ)。還有橋墩、煙囪、高(gao)樓的設計均需考(kao)慮渦街的破壞力(lì)。
　　渦街流量計就是(shi)參考日常生活中(zhōng)渦街現象的原理(lǐ)，在管道中插入合(hé)适大小和形狀的(de)柱體（即渦街發生(shēng)體）。當流體流過時(shi)，在渦街發生體後(hou)兩側産生交替排(pái)列的漩渦，這種漩(xuan)渦被稱爲卡門漩(xuan)渦。漩渦的頻率與(yǔ)流量呈正比。可用(yòng)下式表示：

式（1）中：f 爲(wèi)漩渦的頻率；v 爲流(liu)過渦街發生體的(de)流體的平均速度(du)；d 爲渦街發生體的(de)流面寬度；St 爲斯特(tè)勞哈爾數（Strouhal number），數值的(de)範圍爲 0.14 ～ 0.27。測量時，一(yi)般假定 St=0.2。由此，通過(guo)測量漩渦的頻率(lü)就可以計算出流(liú)過渦街發生體的(de)流體平均速度 v，再(zài)由下式 ：

可以求出(chu)流量 q。其中，A 爲流體(tǐ)流過渦街發生體(tǐ)的截面積。
2.2 渦街流(liú)量計的結構
　　渦街(jiē)流量計的基本結(jie)構爲傳感器和轉(zhuan)換器 2 大部分。傳感(gan)器包含渦街發生(sheng)體、檢測元件等；轉(zhuǎn)換器包含有放大(da)電路、濾波整形電(diàn)路以及 D/A 轉換電路(lù)等；渦街發生體常(cháng)見的有圓柱型、T 型(xíng)柱、四角柱和三角(jiao)柱。目前采用較多(duō)，反饋最好的是三(san)角柱型的渦街發(fā)生體。檢測元件有(yǒu)壓電晶片、熱敏電(dian)阻、超聲波和應變(bian)片差動電容等。轉(zhuǎn)換器部分基本都(dou)智能化了，把微處(chu)理器芯片都安裝(zhuang)其中。渦街流量可(ke)直接在管道上安(an)裝、互換性強、體積(ji)小、長期運行精度(dù)高，可适用于大多(duo)數液體、蒸汽和氣(qi)體的測量。3 小流量(liàng)、低流速測量的限(xiàn)制問題。
　　基于渦街(jie)流量計的原理，流(liu)量信号的強度與(yǔ)流量的平方成正(zheng)比，即流速降低時(shi)，渦街信号将以平(píng)方關系急劇下降(jiàng)。圖 2 顯示流量由零(líng)增大時，渦街信号(hào)的波形記錄。在相(xiàng)同條件之下，1m/s 流速(sù)的氣體産生的漩(xuan)渦力僅是 5m/s 流速時(shi)的 1/25。爲保證小流量(liàng)的檢測，必須具備(bei)極高的漩渦振動(dòng)檢測靈敏度，将流(liú)量信号放大千倍(bei)，由此導緻渦街流(liú)量計對于蒸汽管(guan)道的振動極爲敏(min)感，無流量時指示(shì)的實際爲振動幹(gàn)擾信号，這是渦街(jiē)流量計在實際應(yīng)用中最大的問題(ti)。

　　渦(wo)街流量計的檢測(ce)部件利用壓電晶(jing)片來檢測漩渦的(de)頻率 f，由此得到電(dian)壓信号。此電壓信(xin)号需要經過放大(da)電路和觸發裝置(zhi)，将漩渦頻率最終(zhong)變成儀器所能顯(xiǎn)示的脈沖信号。此(cǐ)脈沖信号再次送(song)入轉換儀表裝置(zhì)換算成可顯示的(de)被測流量。其中，放(fàng)大器的放大倍數(shu) A 和觸發器的門限(xian)電壓均可以進行(háng)調整。如圖 3 所示。

圖 3 中輸入信号電(dian)壓爲 E，噪聲信号轉(zhuǎn)換到電壓輸入端(duan)爲 V, 門限電壓 U 通過(guo)放大器輸出爲 u, 放(fang)大器的放大倍數(shù)爲 A。因 u=AU，所以改變 A 或(huo)者 U 的效果是相同(tong)的[2]。
如圖 4 所示。要使(shi)得觸發器的輸出(chu)信号爲有效信号(hao)，必須使得觸發器(qì)輸入的有效信号(hào) u 遠大于噪聲信号(hào)。因此，渦街流量計(jì)正常工作的必要(yào)條件是：E > u > V。

　　當渦街流(liu)量計測量低流速(su)、小流量流體的時(shí)候，依據上述分析(xi)必須提高信噪比(bi)，盡量提高輸入流(liú)量的有效信号，降(jiàng)低機械振動産生(shēng)的幹擾信号的幅(fú)值。因此，可以修正(zheng)阻流體的結構形(xing)狀，使傳感器能更(gèng)好地接收漩渦的(de)脈動頻率，這樣可(ke)以大幅度提高有(yǒu)效信号的幅值[3]。另(lìng)一種更實際有效(xiào)的辦法是在漩渦(wō)發生體的兩端分(fen)别安裝 1 對對稱的(de)壓電晶體，采用差(cha)動式的壓電傳感(gǎn)器感知信号，并利(li)用差動放大電路(lu)來放大信号，如圖(tú) 4 所示。由于電路中(zhōng)機械振動産生的(de)幹擾對 2 塊壓電晶(jing)體的作用力是一(yī)緻的，并且流體漩(xuán)渦在阻流體兩側(ce)是交替産生的，所(suǒ)以幹擾産生的信(xin)号通過差動放大(dà)後，機械振動信号(hao)因爲相同而相互(hu)抵消削減，而2 塊壓(yā)電晶體相反的流(liu)量信号相加後增(zēng)強。于是，大大降低(di)了機械振動信号(hào)的幹擾。
4 大流量、高(gāo)流速測量的限制(zhi)問題
　　通常認爲，管(guǎn)道裏的蒸汽流速(su)不會超過 60m/s，在選擇(ze)流量計時，量程達(dá)到 60m/s 就已足夠，而采(cǎi)用在線實時頻譜(pu)分析時發現：?80 及其(qi)以下的管線，經常(chang)出現高于 80m/s 的高流(liu)速，其中有近一半(bàn)的出現超過 100m/s 的高(gāo)流速，更有甚者，流(liú)速高達 180m/s。一般的渦(wō)街流量計在流速(su)過高時，因劇烈的(de)漏波現象，出現難(nán)以估算的誤差，所(suo)以也難于判斷超(chao)高流速的大小。如(rú)圖 5 所示，漏波現象(xiang)使流量偏小 44.3%。針對(duì)這一現象，采用頻(pín)譜分析＋動态濾波(bō)，改善信号波動，消(xiao)除“漏波”現象。

　　信号(hao)可以從時域分析(xi)，也可以從頻域分(fèn)析。時域的信号圖(tu)像，是以時間軸爲(wèi)橫軸；頻域的信号(hào)圖像，是以頻率值(zhi)作爲橫軸。信号的(de)時域分析主要側(ce)重于信号的直觀(guān)印象，例如信号的(de)周期，信号在某一(yi)時間點的幅值等(děng)。信号的頻域分析(xī)，是采用傅裏葉變(bian)換，将 X（t）變換成 X（f）[4]。具體(ti)的變換方法在這(zhè)裏不再贅述。信号(hao)的頻譜圖表明了(le)信号在不同頻率(lǜ)分量成分的大小(xiǎo)，比時域圖像提供(gòng)更具體更豐富的(de)頻域圖像。在 PicoScope 示波(bō)器中，可以利用其(qí)頻譜分析的功能(neng)來觀察信号的頻(pín)譜。
　　信号的濾波處(chu)理通常是信号處(chu)理中常用的方法(fa)。信号的濾波主要(yao)是獲得自己想要(yào)的信号，并且過濾(lǜ)掉不符合實驗要(yào)求的信号。通常有(yǒu)低通、高通、帶通、帶(dài)阻這幾種方式。實(shi)際應用中，通常是(shì)設計濾波電路對(dui)電路進行濾波。在(zai)測試測量中，往往(wang)需要的是濾掉信(xin)号中的雜波。盡可(kě)能排除影響因素(sù)，通過對傳感器原(yuan)始信号直接進行(hang)實時頻譜分析，得(de)出超高流速時的(de)流量值。如圖 6 所示(shì)。

5 結束語
　　由于渦街(jiē)流量計容易與數(shù)字電子設備配套(tào)使用，所以是一種(zhǒng)比較先進、理想的(de)測量儀器。漩渦升(shēng)力與流量的平方(fāng)呈正比、與流體的(de)密度呈正比。因此(ci)，當小流量、低流速(sù)或大流量、高流速(su)的時候，對渦街流(liu)量計提出了比較(jiao)高的要求。針對這(zhè)個問題，本文做了(le)相應的探讨。爲了(le)使渦街流量計盡(jìn)可能測量低流速(su)、小流量，必須提高(gao)信噪比，采用差動(dòng)壓電傳感器和差(cha)動放大電路，盡量(liang)提高有效流量信(xin)号的幅值而降低(di)機械振動幹擾信(xin)号的幅值。針對高(gāo)流速、大流量産生(shēng)漏波現象的問題(ti)，采用頻譜分析和(hé)動态濾波的方法(fa)，盡量減少漏波現(xiàn)象。圖 7 爲未處理時(shi)流量計輸出的傳(chuán)感器信号和放大(da)器輸出信号。圖 7（a）上(shàng)部爲傳感器輸出(chu)的原始信号，下部(bu)爲放大器輸出信(xìn)号；圖 7（b）爲展開的視(shi)圖。圖 8 爲處理後流(liú)量計輸出的傳感(gan)器信号和放大器(qì)輸出信号。圖 8（a）上部(bù)爲傳感器輸出的(de)原始信号，下部爲(wei)放大器輸出信号(hào)；圖 8（b）爲展開的視圖(tú)。

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