摘要(yao):渦街流量計 是根(gen)據渦街原理制備(bei)的測量氣體和液(ye)體流量計量儀器(qi)，自上世紀八十年(nián)代以來被廣泛使(shi)用，其技術也不斷(duan)進步⭐。渦街流量計(ji)的旋渦發生體(阻(zu)流體🈲)、檢測元件(傳(chuán)感器)、前置放大器(qi)⛹🏻‍♀️、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口(kou)電路等方面的技(ji)術特點和研究進(jìn)展進行了綜🔅述。
　　渦(wō)街流量計是用于(yu)氣體、液體等流體(ti)介質的測量的常(cháng)用儀✊器之一，其應(ying)用已經從最初的(de)水蒸氣、水💃🏻的測量(liang)擴展到生物學、醫(yi)♈學、衛生、化學化工(gong)等領域。随着各種(zhǒng)相關🏃🏻‍♂️技術等不斷(duàn)提高，渦街流量計(jì)向着高、精、尖方向(xiàng)發展。
　　渦街流量計(ji)應用最多的領域(yu)是石油化工企業(yè)，由于🐇其傳🌂感部件(jiàn)可以不直接接觸(chu)被測介質，可以用(yòng)于測量各🧑🏾‍🤝‍🧑🏼類液體(tǐ)、氣體流量，一般其(qí)不鏽鋼旋渦發生(shēng)體和封裝于不鏽(xiù)鋼體的傳感器，能(neng)👄夠耐受高溫高壓(yā)，可用于液體、氣體(ti)、蒸汽測量。現在也(ye)📱有推出管♉徑小于(yú)25mm以下的采用模壓(ya)成型工藝的🐆全塑(su)料産品✏️渦街流量(liang)傳感器，配置非接(jie)觸的超聲波檢測(ce)元件，可用于腐蝕(shi)性液☁️體和高純淨(jìng)液體的流量測量(liang)。在石❌油化工、制藥(yao)、食品和半導體工(gōng)業中，渦街流量計(ji)有着廣泛的應用(yong)，可以準确測量的(de)介質包括甲醇、甲(jiǎ)醛、丙酮、甲苯、三氯(lǜ)乙烯、乙烯、丁烷液(ye)氨、空分裝置中液(yè)氧、液氮流量等，還(hái)有半導體工業純(chún)水、超淨純水等。
　　根(gēn)據卡門(Karman)渦街原理(lǐ)研制的渦街流量(liàng)計主要用于工業(ye)🔱管道介質流體如(rú)氣體、液體等的流(liú)量測量。渦街流量(liang)計的特點是量程(cheng)範圍大、壓力損失(shī)小，在體積流量💁測(ce)量時幾乎不受流(liu)體密度、溫度、壓力(lì)、粘度等因素的影(yǐng)響，精度高，維護量(liang)小，可靠性高，工作(zuo)溫度範圍較寬(－20～250℃)。信(xin)号輸出方式有數(shù)字脈沖信号輸出(chū)💁，也有模拟标準信(xìn)号，易于智能化、自(zì)動化控制，是大中(zhōng)型企業比較先進(jìn)、理想的介質流量(liàng)測量儀器。常👉見的(de)渦街流量計如圖(tu)1所示。

　　渦街流量計(jì)分類方法有多種(zhǒng)，如按照檢測方式(shì)分爲熱敏式、電容(róng)式、應力式、超聲式(shì)、應變式、光電式、振(zhen)動體式和光纖式(shì)等🚩;按傳感器與轉(zhuǎn)換器組成分爲🌈一(yī)體型和分離✨型;按(an)測量原理分爲質(zhi)量流量計和♋體積(jī)流量計等。本文在(zai)介紹了渦街流量(liang)計工作原☔理的基(ji)礎上🐉，對最近幾年(nián)來關于渦街流量(liang)計的改造現狀進(jin)行了總結述評，以(yǐ)期進一步推動渦(wō)街流㊙️量計發展。
1渦(wō)街流量計的基本(běn)原理
　　渦街流量計(jì)中卡門渦街形成(chéng)基本原理如圖2所(suǒ)示。

　　正如圖2所示(shi)，處于流體中的三(san)角柱是旋渦發生(shēng)體，當流體從❓旋♊渦(wo)發生體兩側流過(guò)時，産生有規則的(de)交替😍旋渦———卡門旋(xuán)渦🔅，這些規則交替(ti)的旋渦在旋渦發(fā)生體下遊非對稱(cheng)地排列。旋渦的釋(shì)放頻率f與流過旋(xuan)渦發生體的流體(ti)平均速度及旋渦(wo)發生體特征寬度(dù)有關，可用下式表(biao)👄示:
f=Stv/d
式中:
f———旋渦的釋(shì)放頻率，Hz
v———流過旋渦(wō)發生體的流體平(píng)均速度，m/s
d———旋渦發生(sheng)體特征寬度，m
St———斯特(te)羅哈數，無量綱，它(tā)的數值範圍爲0.14～0.27
St———雷(lei)諾數Re的函數，當Re在(zai)102～105範圍内，St值大約爲(wei)0.2
因此，在測量過程(cheng)中，要盡量滿足流(liú)體的Re在102～105，則旋渦的(de)❤️頻率f=0.2v/d。
　　由此可知，通(tōng)過測量旋渦頻率(lü)f即可得出流過旋(xuan)渦🈚發生體的流體(tǐ)平均速度v，再由公(gōng)式q=vA即可求出流體(tǐ)流量👨‍❤️‍👨q，其中A爲流體(ti)流過旋渦發生體(tǐ)的截面積。
2渦街流(liu)量計的技術改進(jìn)研究
　　渦街流量計(jì)主要由渦街傳感(gǎn)器和轉換器兩部(bu)分🔱組🔴成。其中傳感(gan)器包括旋渦發生(shēng)體(阻流體)、檢測元(yuán)件等;轉換器包括(kuò)前置放大器、濾波(bō)整形電路、D/A轉換電(diàn)路、輸出接口🆚電路(lu)、端子等。因此，渦街(jiē)流量計的技🏃術改(gǎi)進研究也主要集(jí)中在這🔞幾個方面(miàn)。以下爲近🐅幾年來(lái)渦街流量計技術(shu)改進的現狀。
2.1傳感(gan)器改進
　　渦街流量(liang)計的重要組成部(bu)分是傳感器，其靈(líng)敏度和精度💘都💘與(yǔ)傳感器直接相關(guān)，因此，傳感器的改(gai)進是渦街流量計(ji)改進🌈的重點研究(jiu)課題之一。蔡武昌(chāng)［1］指出流量檢測⁉️儀(yí)表的關鍵問🙇‍♀️題之(zhī)一💃是傳感器的設(shè)計，其預測流量計(ji)技術改進的一個(gè)重要方面是♋傳感(gan)器結構✨設計中應(ying)該🏃将溫度、壓力♉、管(guan)徑等參數♻️集合到(dào)流量🔱傳🐆感器内。
　　渦(wo)街流量計的缺點(diǎn)是抗幹擾性能差(cha)，震動、強電磁場❓、高(gāo)🐅溫環境因素等對(dui)渦街流量計的測(cè)定有很大影響⚽，因(yīn)此設計高抗🔆幹擾(rao)的流量計是渦街(jie)流量計研究者的(de)追求。潘岚等［2］針對(duì)這一點設㊙️計了懸(xuan)浮式差動傳感器(qì)(如圖3所示)，其設計(ji)原理爲，懸浮式差(chà)動傳感器B位于漩(xuán)渦發生體🔞的後面(mian)，懸浮式差動傳感(gǎn)器每個檢測元😘件(jian)使用4個壓電晶體(tǐ)，平闆兩側🔴分别♻️對(dui)稱固定🚶‍♀️了兩個檢(jian)測單元，以形成差(cha)動結構。兩壓電陶(tao)瓷片之間由一🤞金(jin)屬質量塊固定成(cheng)一個剛體，同時金(jīn)屬質量塊作爲壓(yā)電陶瓷的輸出電(dian)極，輸出檢測信号(hào)給電荷放大電路(lù)，并聯的兩片✂️壓電(dian)晶體使輸出的渦(wo)街流量信号增大(dà)，使渦街流量計輸(shu)出👌信号👨‍❤️‍👨的信噪比(bǐ)得到很大🎯提高，實(shí)💋驗結果表明，安裝(zhuāng)懸浮式差動傳感(gǎn)器的渦街流量🤞計(ji)抗幹擾性能顯著(zhe)改善。

　　當渦街傳(chuan)感器中漩渦發生(shēng)體和壓電探頭處(chu)于分離狀态時壓(ya)電探頭的位置對(dui)渦街信号的檢測(ce)具有比較大的影(ying)響。因此，壓電探頭(tóu)位置與渦街信号(hào)幅值、頻率之間的(de)聯系，不同旋渦發(fā)生體，最強渦街信(xìn)号出現的位置也(ye)不同。通過在DN100和DN50的(de)水、氣介質流量标(biāo)準裝置上研究發(fa)現，傳感器中壓電(diàn)探頭的最佳位置(zhì)應處于發生體尾(wei)部且等于發生體(ti)寬度處，此距離與(yǔ)發生體寬度呈線(xian)性正比關系，不随(suí)被測介質不同而(er)改變。這項研究對(duì)于渦街流量計傳(chuán)感器的改進具有(yǒu)實用性和推廣性(xìng)。
　　壓電晶體渦街傳(chuán)感器中采用的是(shi)壓電材料受力後(hou)産生✉️的電壓信号(hào)作爲測試信号，但(dàn)是，壓電晶體傳感(gǎn)器信号轉換的優(yōu)劣依賴于電壓或(huo)電荷放大器性能(neng)的影響。利用與壓(ya)電晶體傳感器同(tóng)樣具有小功率、高(gāo)内阻且電荷量輸(shū)出💋相似特性的矽(xi)光電池作爲測試(shi)電荷放大器🏃🏻性能(neng)的信号發生器，矽(xī)光♍電池性能穩定(ding)、耐高溫、耐輻射、轉(zhuǎn)換效率高和㊙️頻率(lü)相應好等🏃🏻‍♂️優點，從(cóng)而保證了測試電(diàn)♌荷放大器頻率響(xiang)應特性的準确性(xìng)。采用矽光電池信(xin)号⭕發生器測得的(de)電荷放大器下限(xian)截止頻率(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這(zhe)與理論仿真值(10.61Hz)十(shi)分接近，而采用壓(yā)電信号發生器時(shi)測得的fL2爲12Hz，這對壓(ya)電式渦街流量計(ji)有很好的實用性(xìng)意義。
　　光纖光栅具(jù)有抗電磁幹擾、天(tiān)然電絕緣性、抗腐(fǔ)蝕性和體🐉積小等(deng)優異性能，作爲流(liú)量傳感器元件具(jù)有得天獨厚的條(tiao)件，如檢測精度高(gāo)、量程比寬、介質适(shi)應性強、線性好和(he)易于實現智能控(kòng)制。李紅民等［5］采用(yong)電子濾波技術把(bǎ)光纖光栅作爲敏(min)感元件制作了一(yi)種光纖光栅渦街(jie)流量傳感器。實驗(yàn)結果表✌️明光纖光(guang)栅渦街流量傳感(gan)器的量程達到可(ke)以達到25L/min，線性誤差(cha)僅爲💚0.42%，具有很好的(de)線性度，測量精度(dù)達到🏃🏻‍♂️±0.5%F.S。這種傳感器(qì)可以✊适用于高溫(wēn)、強輻射、強磁場幹(gàn)擾和腐蝕性環境(jìng)如化學化工、礦山(shān)、核電等領域内⚽各(gè)種氣體和液體流(liú)量的測量。
　　随着微(wei)電子機械技術研(yán)究的不斷發展，促(cù)使流量🔆傳感器向(xiàng)高集成度、高精度(dù)、微型化、高準确可(kě)靠性方向發展，适(shì)用于生物、醫藥、衛(wèi)生等微流體計量(liang)的新型微型流量(liàng)傳感器不斷湧現(xiàn)。基于💋MEMS技術的流量(liang)傳感器如熱式微(wēi)型、流體振動型、差(chà)壓型及仿生型微(wei)型流量傳♈感器等(deng)不斷出現［7］。
　　基于溫(wen)差測量原理推出(chū)一種測量低流速(su)氣體流量的傳感(gǎn)器，該傳感器由一(yi)對集成溫度傳感(gan)器芯🈲片與片狀鉑(bó)電阻熱源構成。在(zài)低于0.5cm/s的低流速下(xia)，該傳感器♊仍具有(you)數十至數百毫伏(fú)的輸出信号幅度(dù)🍓，傳感器輸😄出電壓(yā)與🎯方根流速成近(jin)似的🤩線性關系💜，在(zai)低流速條🤩件下該(gāi)流量傳感器具有(yǒu)🆚靈敏度和穩定性(xìng)。
　　渦街流量計有抗(kang)幹擾性能差、量程(cheng)窄等缺點問題，針(zhēn)對這些💞問題，從渦(wō)街信号的源頭加(jia)以改進，推出一種(zhǒng)抗幹擾性能優異(yì)的通用渦街流量(liàng)傳感器，提✍️高了渦(wo)街信号✨的信噪比(bi)和靈敏度，同🛀時加(jiā)強保護措施，如對(dui)初級信号處理電(diàn)路的信号和輸出(chū)信号☁️過程的導線(xian)進行屏蔽等，提高(gao)了渦街流量計的(de)抗幹擾性、并提高(gao)🚩了測量量程。測試(shì)證實，渦街流量計(ji)不僅可以抵抗1.5g以(yǐ)下的機械振動幹(gan)擾，也實現了大于(yú)20∶1的寬量程比性能(néng)。

　　爲(wei)了實現對蒸汽的(de)流量、壓力、溫度和(he)質量流量等多參(cān)數✉️準确測量，成功(gōng)研制出集溫度傳(chuan)感器、壓力傳感器(qi)及渦街💯流量傳感(gǎn)器于一體的蒸汽(qi)渦街流量計(如圖(tu)4所示)，其中渦街流(liú)量傳感器💯采用壓(ya)電傳感器與旋渦(wō)發生體分離結構(gou)的壓電式🈚通用渦(wo)街流量傳感器(如(rú)圖5所示)，溫㊙️度傳感(gan)器采用精度高、可(ke)靠性強、價格便宜(yí)的高溫薄膜鉑電(diàn)阻Pt100或Pt1000傳感器，其耐(nài)溫範圍更廣:－200～600℃，采用(yòng)微型獨立封裝;壓(ya)力傳感器采用精(jīng)度高、耐溫穩定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼性(xing)好、密封可靠的氩(ya)弧焊封裝結構的(de)高穩态壓阻式♋壓(ya)力傳感器。對該渦(wō)街流量計檢定測(ce)試結果爲1級。目😄前(qián)，覆蓋從DN15到DN30所有口(kou)徑的🐉該渦街流量(liang)計已經工業化批(pi)量生産。
　　懸臂式渦(wo)街流量傳感器具(jù)有信号強、響應快(kuài)、工藝好、制作成本(běn)低等優點，但是它(tā)的固有頻率普遍(bian)較低，對大流量信(xin)号測❄️定或在複雜(zá)的環境中測量時(shi)其測量精度會🌏受(shou)到嚴重幹擾，爲此(cǐ)，通過對渦街流量(liàng)傳感器進行受力(lì)分析，研究了在一(yi)定力下壓電片的(de)形變量✏️、懸臂式渦(wo)街流量傳感器固(gù)有頻率的😄決定因(yīn)素和管道振動對(dui)傳感器輸出信号(hao)的影響，設計了兩(liǎng)種新型的、具有較(jiào)好的抗管道振動(dong)能力的抗振懸臂(bi)梁渦街流量傳感(gan)器，實驗表明，這兩(liǎng)種新型渦街🔅流量(liàng)傳感器具有更高(gao)靈敏度。
2.2渦街信号(hào)的處理和轉換電(dian)路等的改進
　　渦街(jie)流量計信号的頻(pín)率範圍一般爲1～2500Hz，易(yì)受噪聲的幹擾，設(she)計👨‍❤️‍👨高精度的渦街(jiē)信号處理系統，對(dui)渦街信号處理方(fāng)式的改進⭐是自📐動(dong)化和儀器儀表等(děng)學術界的熱點之(zhi)一🏒。以TMS320F2812芯片爲核心(xin)控制器✉️，利用2812DSP的l2位(wèi)16通道ADC模塊對渦街(jie)流量計傳感器信(xìn)号進行采集，結合(he)🈲FFT周期譜圖法🌈對采(cai)集信号進行特征(zhēng)分析，提取到有✨用(yong)信号，适當地抑制(zhì)确定性噪聲。實驗(yàn)和仿真驗證了設(shè)計系統抗幹擾性(xing)能強，具有可行性(xìng)和正确性🏃。以TMS320LF2407ADSP微處(chù)理器爲核心，通過(guo)前端多級放大⭐及(jí)濾波，并采用高精(jīng)度A/D轉換芯片，設計(ji)了高精度渦街信(xin)号處💔理系統(系統(tǒng)硬件框架圖如圖(tú)6所示)。仿真💯實驗驗(yàn)證，該系統具有實(shi)時性強、精度高、性(xìng)價比高等優點，有(you)✨潛在的工業開發(fa)價值。利用窗函❌數(shu)法設計FIR和了IIR數字(zi)濾波器對渦街流(liú)量計的輸出信号(hào)進🌈行濾波處🔴理，濾(lǜ)波後的波形平滑(hua)了很多，即将大部(bu)分的噪音信号去(qu)除，以提高測定流(liu)速的準确度。

　　針對渦街(jie)流量計易被幹擾(rao)的問一種基于MUSIC算(suan)法的💋渦街信🈲号處(chu)理方法。在模拟MUSIC算(suan)法的基本原理的(de)基礎上，對多種噪(zao)💜聲環境下的渦街(jiē)信号進行仿真驗(yàn)證。仿真驗證結果(guǒ)表明:MUSIC算法可以有(you)效地濾除典型噪(zào)聲，高精度地分辨(biàn)頻率點，對改善渦(wo)街流量計的⛹🏻‍♀️性能(néng)有良好的效果。采(cǎi)用經驗模态分解(jiě)(EMD)方法對渦街信号(hào)中幹擾噪聲進行(hang)濾除，得到真實的(de)渦街信号。其基本(ben)方法是🍉首先将原(yuan)始信号輸送到二(èr)階低通濾波器進(jin)行幅值歸一化，然(ran)後将歸一💞化後的(de)信号經EMD算法分解(jiě)成噪聲分量和真(zhen)實渦街信号分量(liang)，最後，通過施密特(te)阈值翻轉法統計(ji)頻率并判别出🔞真(zhen)實的渦街信号所(suǒ)在的分量，從而提(ti)取渦街信号。通過(guò)仿真試驗分析，驗(yàn)證該數🔞字信号處(chù)理方法的有效性(xìng)。以MSP430型單片機爲核(hé)心對智能渦街流(liú)量計轉換電路進(jìn)行設計與開發，其(qi)方法是對渦街傳(chuán)感器前置放大闆(pǎn)送出的脈沖信号(hao)進行采集處理，MSP430輸(shu)出的數字信号至(zhi)D/A轉換模塊⭕産生标(biāo)準4～20mA信号輸出。通過(guò)電路轉換解決了(le)以往轉換電🔞路存(cun)在的功耗大、性能(neng)不穩定等問題。
3結(jié)語
　　随着我國經濟(jì)模式的發展轉變(bian)和人力資源成本(běn)的不斷增加以及(jí)新技術的不斷湧(yong)現，大型工業企業(yè)要⁉️求生🆚産設備的(de)自動化、智能化程(chéng)度越來越高，作爲(wèi)常用流體介質的(de)💰計量設備———渦街流(liu)量計也迎來了技(jì)術改進的最☎️佳時(shi)機，如光纖光栅傳(chuan)感技術、超聲傳感(gǎn)技術、光電傳感技(jì)術等用于渦街流(liú)量計的制備，未來(lai)的渦街流量計将(jiang)更加高端、精密🚶，用(yòng)于👄生物、醫藥、衛生(sheng)健康等行業的精(jing)細測量的渦街流(liú)量計将會得到更(geng)大的發展。

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