0 引(yin)言
　　 流量(liàng)計 是指(zhi)示被測(cè)流量和(hé)在選定(dìng)時間間(jiān)隔内流(liu)體總量(liàng)的儀表(biao)。流量計(jì)的種類(lèi)類别非(fēi)常多，利(li)用的測(ce)量原理(lǐ)也各不(bú)相同，有(you)力學原(yuán)理、熱學(xue)原理、電(dian)學原理(lǐ)及光學(xué)原理等(deng)。當前 , 在(zai)氣體及(jí)低粘度(dù)液體流(liú)量計選(xuan)型中 , 由(you)于孔闆(pan)流量計(ji)有悠久(jiu)的曆史(shǐ)背景，各(gè)種試驗(yan)數據齊(qí)全。結構(gòu)簡單，無(wu)可動部(bù)件，标準(zhun)化程度(du)高，可不(bú)必進行(hang)實流标(biāo)定等優(you)點，被廣(guǎng)泛使用(yong)。
　　 孔闆流(liu)量計 屬(shǔ)于差壓(yā)式流量(liang)計，流體(ti)流過管(guǎn)體内的(de)節流裝(zhuang)置，在節(jiē)流裝置(zhi)周圍産(chan)生收縮(suō)，利用壓(yā)力差來(lái)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(zhong)央開有(yǒu)圓孔的(de)金屬闆(pǎn)，其結構(gou)如圖 1 所(suǒ)示。安裝(zhuāng)時将孔(kong)闆垂直(zhí)放置在(zài)管道中(zhong)，測取孔(kong)闆前後(hou)兩端的(de)壓力差(chà)，用傳感(gǎn)器把感(gan)知的壓(ya)力差轉(zhuǎn)換爲電(diàn)壓量，然(rán)後與壓(ya)差計相(xiàng)連，即構(gou)成孔闆(pan)流量計(jì)。由于孔(kong)闆流量(liang)計是通(tong)過産生(sheng)壓力損(sun)失進行(háng)流量檢(jian)測，所以(yi)壓力損(sun)失較大(dà)，通常高(gāo)達 10 ～ 20kpa。由于(yu)孔闆流(liu)量計的(de)流量系(xi)數與雷(léi)諾系數(shu)有關，它(ta)的測量(liàng)範圍比(bi)較窄，量(liang)程範圍(wéi)一般爲(wei) 3:1 ～ 4:1，而且孔(kong)闆流量(liàng)計在實(shi)際應用(yong)中，由于(yu)安裝複(fú)雜，整個(ge)壓力傳(chuan)遞路徑(jing)中易受(shou)到洩漏(lòu)、冷凝壺(hú)及下遊(you)導壓管(guan)位置偏(pian)差、孔闆(pǎn)同心度(dù)、垂直度(du)等衆多(duō)因素的(de)影響，實(shi)際精度(du)難以确(que)定。

　　因(yin)此，爲了(le)解決孔(kong)闆流量(liang)計在測(ce)量時存(cún)在的諸(zhū)多問題(tí)，渦街流(liu)量計 應(yīng)運而生(shēng)。
1 渦街流(liú)量計的(de)優缺點(dian)
　　渦街流(liú)量計在(zài)諸多應(ying)用方面(miàn)都優于(yu)傳統的(de)孔闆流(liú)量計。比(bi)如，孔闆(pǎn)流量計(ji) 1 個測量(liàng)回路靜(jing)密封點(dian)爲 20 個左(zuǒ)右。相比(bǐ)而言，渦(wo)街流量(liàng)計的靜(jìng)密封點(dian)隻有 3 個(gè)，不容易(yì)洩漏 ，它(ta)不受流(liú)體溫度(du)、壓力還(hai)有密度(dù)等影響(xiang)，流量系(xì)數長期(qi)不變[1]。
　　但(dan)是渦街(jiē)流量計(jì)在使用(yòng)的時候(hou)，也存在(zai)一些問(wèn)題。
1）由于(yu)渦街流(liu)量計的(de)原始信(xìn)号爲頻(pín)率信号(hao)，緻使渦(wō)街流量(liang)計實際(jì)爲一種(zhong)數字式(shì)儀表。它(tā)隻要能(neng)正常工(gōng)作，精度(du)一定有(you)保證。但(dàn)是一旦(dàn)不能正(zheng)常工作(zuò)，産生的(de)測量誤(wù)差将非(fēi)常大，甚(shèn)至連流(liu)量的變(biàn)化趨勢(shì)都不能(néng)指示，徹(che)底不能(néng)工作。
2）漩(xuán)渦升力(lì)與流量(liang)的平方(fāng)呈正比(bi)、與流體(ti)的密度(dù)呈正比(bi)。因此，流(liú)量減小(xiao)時，渦街(jie)信号以(yǐ) 2 階關系(xì)急劇減(jiǎn)弱，而氣(qi)體的渦(wo)街信号(hao)遠低于(yu)液體。在(zai)用于氣(qi)體流量(liang)檢測時(shi)，因低密(mì)度、低流(liu)速導緻(zhi)渦街信(xin)号微弱(ruò)，極易湮(yān)沒在幹(gan)擾之中(zhōng)，流量計(ji)無法正(zheng)确識别(bié)出漩渦(wō)，緻使測(cè)量失敗(bai)。
3）由于渦(wō)街流量(liang)計傳感(gǎn)器必須(xu)敏感檢(jian)測小流(liu)量時微(wei)小的渦(wo)街升力(li)，直接限(xiàn)制了傳(chuan)感器的(de)結構。針(zhēn)對以上(shàng)一些問(wen)題，下面(mian)将做部(bù)分探讨(tao)。
2 渦街流(liu)量計工(gong)作原理(lǐ)與結構(gou)
2.1 渦街流(liu)量計的(de)工作原(yuán)理
　　在日(rì)常生活(huo)中經常(chang)能看到(dào)渦街現(xiàn)象，比如(rú)風中的(de)旗幟，由(yóu)于旗杆(gǎn)産生的(de)渦街而(er)擺動，風(feng)越大，旗(qí)幟擺動(dong)越快－－擺(bai)動與風(fēng)速呈正(zhèng)比。還有(you)橋墩、煙(yān)囪、高樓(lou)的設計(ji)均需考(kao)慮渦街(jie)的破壞(huài)力。
　　渦街(jie)流量計(jì)就是參(can)考日常(chang)生活中(zhong)渦街現(xian)象的原(yuán)理，在管(guan)道中插(chā)入合适(shi)大小和(hé)形狀的(de)柱體（即(jí)渦街發(fa)生體）。當(dang)流體流(liú)過時，在(zai)渦街發(fā)生體後(hou)兩側産(chǎn)生交替(tì)排列的(de)漩渦，這(zhè)種漩渦(wo)被稱爲(wèi)卡門漩(xuan)渦。漩渦(wo)的頻率(lü)與流量(liang)呈正比(bǐ)。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(wo)街發生(shēng)體的流(liú)體的平(ping)均速度(du)；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(wèi) 0.14 ～ 0.27。測量時(shi)，一般假(jia)定 St=0.2。由此(ci)，通過測(cè)量漩渦(wo)的頻率(lǜ)就可以(yǐ)計算出(chu)流過渦(wo)街發生(sheng)體的流(liú)體平均(jun1)速度 v，再(zài)由下式(shì) ：

可以求(qiú)出流量(liang) q。其中，A 爲(wei)流體流(liu)過渦街(jie)發生體(ti)的截面(miàn)積。
2.2 渦街(jie)流量計(ji)的結構(gou)
　　渦街流(liu)量計的(de)基本結(jié)構爲傳(chuán)感器和(he)轉換器(qi) 2 大部分(fèn)。傳感器(qi)包含渦(wō)街發生(sheng)體、檢測(ce)元件等(děng)；轉換器(qi)包含有(yǒu)放大電(dian)路、濾波(bo)整形電(diàn)路以及(jí) D/A 轉換電(dian)路等；渦(wo)街發生(sheng)體常見(jiàn)的有圓(yuan)柱型、T 型(xing)柱、四角(jiǎo)柱和三(san)角柱。目(mu)前采用(yòng)較多，反(fǎn)饋最好(hao)的是三(sān)角柱型(xíng)的渦街(jie)發生體(tǐ)。檢測元(yuán)件有壓(yā)電晶片(pian)、熱敏電(diàn)阻、超聲(shēng)波和應(yīng)變片差(cha)動電容(rong)等。轉換(huan)器部分(fen)基本都(dōu)智能化(hua)了，把微(wēi)處理器(qi)芯片都(dōu)安裝其(qí)中。渦街(jiē)流量可(kě)直接在(zài)管道上(shàng)安裝、互(hù)換性強(qiáng)、體積小(xiǎo)、長期運(yun)行精度(du)高，可适(shì)用于大(da)多數液(ye)體、蒸汽(qi)和氣體(tǐ)的測量(liàng)。3 小流量(liàng)、低流速(su)測量的(de)限制問(wen)題。
　　基于(yu)渦街流(liú)量計的(de)原理，流(liú)量信号(hao)的強度(du)與流量(liang)的平方(fang)成正比(bǐ)，即流速(sù)降低時(shí)，渦街信(xìn)号将以(yǐ)平方關(guān)系急劇(jù)下降。圖(tú) 2 顯示流(liú)量由零(ling)增大時(shí)，渦街信(xin)号的波(bo)形記錄(lu)。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(liu)速時的(de) 1/25。爲保證(zheng)小流量(liang)的檢測(cè)，必須具(jù)備極高(gao)的漩渦(wō)振動檢(jiǎn)測靈敏(mǐn)度，将流(liu)量信号(hao)放大千(qiān)倍，由此(cǐ)導緻渦(wō)街流量(liàng)計對于(yú)蒸汽管(guan)道的振(zhen)動極爲(wèi)敏感，無(wú)流量時(shí)指示的(de)實際爲(wèi)振動幹(gàn)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(diàn)晶片來(lai)檢測漩(xuán)渦的頻(pin)率 f，由此(ci)得到電(dian)壓信号(hao)。此電壓(ya)信号需(xū)要經過(guo)放大電(diàn)路和觸(chu)發裝置(zhi)，将漩渦(wō)頻率最(zui)終變成(cheng)儀器所(suǒ)能顯示(shì)的脈沖(chòng)信号。此(cǐ)脈沖信(xin)号再次(cì)送入轉(zhuǎn)換儀表(biao)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(dà)倍數 A 和(hé)觸發器(qì)的門限(xian)電壓均(jun)可以進(jìn)行調整(zhěng)。如圖 3 所(suo)示。

圖 3 中輸(shu)入信号(hào)電壓爲(wèi) E，噪聲信(xìn)号轉換(huan)到電壓(ya)輸入端(duan)爲 V, 門限(xian)電壓 U 通(tong)過放大(da)器輸出(chū)爲 u, 放大(dà)器的放(fàng)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(shǐ)得觸發(fā)器的輸(shu)出信号(hào)爲有效(xiào)信号，必(bi)須使得(dé)觸發器(qì)輸入的(de)有效信(xin)号 u 遠大(da)于噪聲(sheng)信号。因(yīn)此，渦街(jiē)流量計(ji)正常工(gong)作的必(bi)要條件(jian)是：E > u > V。

　　當(dang)渦街流(liú)量計測(ce)量低流(liú)速、小流(liu)量流體(ti)的時候(hou)，依據上(shang)述分析(xi)必須提(tí)高信噪(zao)比，盡量(liàng)提高輸(shu)入流量(liàng)的有效(xiào)信号，降(jiang)低機械(xie)振動産(chǎn)生的幹(gan)擾信号(hào)的幅值(zhi)。因此，可(ke)以修正(zhèng)阻流體(tǐ)的結構(gou)形狀，使(shi)傳感器(qi)能更好(hǎo)地接收(shou)漩渦的(de)脈動頻(pín)率，這樣(yàng)可以大(da)幅度提(ti)高有效(xiào)信号的(de)幅值[3]。另(lìng)一種更(gèng)實際有(yǒu)效的辦(bàn)法是在(zai)漩渦發(fā)生體的(de)兩端分(fèn)别安裝(zhuang) 1 對對稱(chēng)的壓電(dian)晶體，采(cai)用差動(dòng)式的壓(ya)電傳感(gǎn)器感知(zhi)信号，并(bing)利用差(cha)動放大(dà)電路來(lái)放大信(xin)号，如圖(tú) 4 所示。由(yóu)于電路(lù)中機械(xiè)振動産(chǎn)生的幹(gàn)擾對 2 塊(kuai)壓電晶(jing)體的作(zuo)用力是(shi)一緻的(de)，并且流(liu)體漩渦(wō)在阻流(liú)體兩側(ce)是交替(ti)産生的(de)，所以幹(gan)擾産生(sheng)的信号(hào)通過差(chà)動放大(dà)後，機械(xiè)振動信(xìn)号因爲(wèi)相同而(ér)相互抵(di)消削減(jian)，而2 塊壓(yā)電晶體(ti)相反的(de)流量信(xin)号相加(jiā)後增強(qiáng)。于是，大(da)大降低(di)了機械(xie)振動信(xìn)号的幹(gàn)擾。
4 大流(liú)量、高流(liu)速測量(liàng)的限制(zhì)問題
　　通(tong)常認爲(wei)，管道裏(li)的蒸汽(qi)流速不(bú)會超過(guò) 60m/s，在選擇(zé)流量計(jì)時，量程(cheng)達到 60m/s 就(jiù)已足夠(gou)，而采用(yong)在線實(shi)時頻譜(pǔ)分析時(shi)發現：?80 及(ji)其以下(xià)的管線(xian)，經常出(chu)現高于(yú) 80m/s 的高流(liú)速，其中(zhong)有近一(yi)半的出(chū)現超過(guo) 100m/s 的高流(liú)速，更有(you)甚者，流(liú)速高達(dá) 180m/s。一般的(de)渦街流(liú)量計在(zai)流速過(guo)高時，因(yin)劇烈的(de)漏波現(xiàn)象，出現(xian)難以估(gū)算的誤(wù)差，所以(yi)也難于(yú)判斷超(chao)高流速(su)的大小(xiao)。如圖 5 所(suǒ)示，漏波(bō)現象使(shi)流量偏(piān)小 44.3%。針對(duì)這一現(xiàn)象，采用(yong)頻譜分(fen)析＋動态(tài)濾波，改(gai)善信号(hào)波動，消(xiao)除“漏波(bō)”現象。

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

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

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