摘要(yào):渦街流量計 是(shì)根據渦街原理(lǐ)制備的測量氣(qì)體和液體流量(liàng)計量儀器，自上(shàng)世紀八十年代(dài)以來被廣泛使(shi)用，其技⚽術也不(bú)斷進步💋。渦街流(liu)量⛹🏻‍♀️計的旋渦發(fa)生體(阻流體💞)、檢(jian)測元件(傳感器(qì))、前置放大器、濾(lǜ)波整形電路、D/A轉(zhuan)換電路、輸出接(jie)口電路等方面(miàn)的技術特點⛹🏻‍♀️和(hé)研究進🤞展進行(háng)了綜述。
　　渦街流(liú)量計是用于氣(qi)體、液體等流體(tǐ)介質的測量💔的(de)常用儀🐪器之一(yi)，其應用已經從(cong)最初的水蒸氣(qì)、水㊙️的測量擴展(zhan)到生物學、醫學(xue)、衛生、化學化工(gong)等領域🛀。随着各(ge)🔴種相關技術等(deng)不斷提高，渦街(jiē)♈流量計向着高(gao)、精、尖方向發展(zhan)。
　　渦街流量計應(ying)用最多的領域(yu)是石油化工企(qi)業，由于其✌️傳感(gǎn)部件可以不直(zhí)接接觸被測介(jie)質，可以用于測(ce)量各類液體、氣(qì)體流💋量，一般其(qí)不鏽鋼旋渦發(fā)🌈生體和封裝于(yú)不鏽鋼體的傳(chuan)🐪感器，能👅夠耐受(shòu)高溫高壓，可用(yòng)于液體、氣體、蒸(zheng)汽測量。現在也(yě)有推出管徑小(xiǎo)于25mm以下🐇的采用(yòng)模壓成型工藝(yì)的全塑料産品(pin)渦街流量傳感(gǎn)器，配置非接觸(chu)的超聲波檢測(cè)元件，可用于腐(fu)蝕性液體和高(gao)純淨液體的流(liú)量測量。在🏒石油(you)化工、制藥、食品(pin)☀️和半導體工業(ye)中，渦街流量計(ji)㊙️有着廣泛的應(ying)用，可以準确測(ce)量的介質包括(kuo)甲醇❗、甲醛、丙酮(tong)、甲苯、三氯乙烯(xī)、乙烯、丁烷液氨(an)、空分裝置中液(ye)氧、液氮流量等(deng)，還有半導體工(gong)業純水、超淨純(chún)水等。
　　根據卡門(mén)(Karman)渦街原理研制(zhì)的渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)❄️管道介質流體(ti)如氣體、液體等(deng)的流量測量。渦(wo)🍉街流量計的特(te)點是量程❤️範圍(wéi)大、壓力損失小(xiǎo)，在體積流量🔴測(ce)量時🈲幾乎不受(shou)流體密度、溫度(du)、壓力、粘度等因(yin)素的影響，精度(dù)🚶‍♀️高，維護量小，可(ke)靠性高，工作溫(wēn)度範圍較寬(－20～250℃)。信(xin)号輸出方式有(yǒu)數字脈沖信号(hào)輸出，也有模拟(nǐ)标準信号，易于(yu)智能化、自動化(hua)控制，是大中型(xíng)企業比較先進(jìn)、理想🔆的介質流(liú)量測量儀器。常(cháng)見的渦街流量(liàng)計如🙇🏻圖1所示。

　　渦街流量計分(fèn)類方法有多種(zhong)，如按照檢測方(fāng)式分爲熱☀️敏式(shi)、電容式、應力式(shì)、超聲式、應變式(shi)、光電式、振動體(ti)式和光纖💋式等(děng);按傳感器與轉(zhuǎn)換器組成分爲(wei)⛱️一體型和分離(li)型;按測☔量原理(lǐ)分爲質量流量(liàng)計和體積流量(liàng)💞計等。本文♻️在介(jie)紹了🤞渦街流量(liàng)計工作原理的(de)基礎上😄，對最近(jin)幾年來關于渦(wō)街流量計的改(gǎi)✏️造現狀進行了(le)總結述評，以期(qī)進一步推動渦(wo)街流🏃🏻量計發展(zhǎn)。
1渦街流量計的(de)基本原理
　　渦街(jie)流量計中卡門(men)渦街形成基本(ben)原理如圖2所示(shì)。

　　正如圖(tu)2所示，處于流體(ti)中的三角柱是(shi)旋渦發生體，當(dang)👨‍❤️‍👨流體從旋渦發(fa)生體兩側流過(guò)時，産生有規則(zé)的交替旋渦———卡(ka)門旋渦，這些規(gui)則交替的旋渦(wō)在旋渦發生體(ti)下遊非對稱地(di)⭐排列。旋渦的釋(shì)放頻率f與流過(guo)旋渦發🔞生體的(de)流體平均速度(du)及旋渦發生體(tǐ)特征寬度有關(guān)，可用下式表示(shi):
f=Stv/d
式中:
f———旋渦的釋(shì)放頻率，Hz
v———流過旋(xuán)渦發生體的流(liu)體平均速度，m/s
d———旋(xuan)渦發生體特征(zheng)寬度，m
St———斯特羅哈(hā)數，無量綱，它的(de)數值範圍爲0.14～0.27
St———雷(lei)諾數Re的函數，當(dāng)Re在102～105範圍内，St值大(dà)約爲0.2
因此，在測(ce)量過程中，要盡(jìn)量滿足流體的(de)Re在102～105，則旋渦的頻(pín)率f=0.2v/d。
　　由此可知，通(tong)過測量旋渦頻(pin)率f即可得出流(liu)過旋渦發生體(tǐ)的流體平均速(sù)度v，再由公式q=vA即(ji)可求出流體流(liú)量q，其中👄A爲流🔴體(tǐ)流過旋渦發生(shēng)體的截面積。
2渦(wō)街流量計的技(jì)術改進研究
　　渦(wo)街流量計主要(yào)由渦街傳感器(qi)和轉換器兩部(bu)分組🌈成。其中傳(chuán)感器包括旋渦(wo)發生體(阻流體(ti))、檢測元㊙️件等;轉(zhuan)換器包括前置(zhì)放大器、濾波整(zhěng)形電路、D/A轉換🔆電(diàn)路、輸出接口電(dian)路、端子等。因此(cǐ)，渦街流量計的(de)技術改進研究(jiū)也主要集中在(zai)這🏃🏻幾個方面。以(yi)下爲近幾年來(lai)渦街✌️流量計技(ji)術改進的現狀(zhuàng)。
2.1傳感器改進
　　渦(wo)街流量計的重(zhòng)要組成部分是(shì)傳感器，其靈敏(min)度和精👄度都🔅與(yǔ)傳感器直接相(xiàng)關，因此，傳感器(qì)的改進🌈是渦街(jiē)流量計改進🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)重點研究課題(ti)之一。蔡武昌［1］指(zhǐ)出流量檢測儀(yi)表的關鍵問題(ti)之一是傳感器(qì)的設計，其預測(cè)流量計技術改(gai)進的一個重要(yao)方面是傳感器(qi)結構設計中應(yīng)該将溫度、壓力(lì)、管徑等參數集(ji)合到流量😘傳感(gǎn)器内。
　　渦街流量(liang)計的缺點是抗(kang)幹擾性能差，震(zhèn)動、強電磁🤟場、高(gao)溫環境因素等(děng)對渦街流量計(jì)的測定有很大(da)影響，因此🐪設計(jì)高抗幹擾的流(liú)量計是渦街流(liú)量計研究者的(de)追求。潘岚等［2］針(zhēn)對這一點設計(ji)了懸浮式差動(dong)傳感器(如圖3所(suo)示)，其設計原理(lǐ)爲，懸浮式差動(dong)☎️傳感器B位于漩(xuan)渦發生體的後(hòu)面，懸浮式差動(dong)傳感💯器每個檢(jiǎn)測⛱️元件使用4個(ge)壓電晶體，平闆(pan)兩側分别對稱(cheng)固定了兩個檢(jian)測單✏️元，以形成(cheng)差動結構。兩壓(ya)☔電陶瓷片之間(jian)由一金屬質量(liàng)塊固定成一個(gè)剛體💔，同時金屬(shu)質量塊作爲📞壓(yā)電陶瓷的輸出(chū)電極，輸出檢測(cè)信号給電荷放(fang)大電路，并聯的(de)兩片壓電晶體(ti)使輸出的渦街(jiē)流量信号🐇增大(da)，使渦街流量計(jì)輸出信号的信(xin)噪比得到很大(dà)提高💯，實驗結果(guo)表明，安裝懸浮(fu)式差🚶‍♀️動傳感器(qi)的渦街流量計(jì)抗幹擾性能顯(xian)❗著改善。

　　當渦街傳感器(qì)中漩渦發生體(ti)和壓電探頭處(chu)于分離狀态時(shi)壓電探頭的位(wèi)置對渦街信号(hào)的檢測具有比(bi)較大的影響。因(yin)此，壓電探頭位(wèi)置與渦街信号(hao)幅值、頻率之間(jian)的聯系，不同旋(xuan)渦發生體，最強(qiang)渦街信号出現(xiàn)的位置也不同(tong)。通過在DN100和DN50的水(shui)、氣介質流量标(biao)準裝置上研究(jiū)發現，傳感器中(zhong)壓電探頭的最(zuì)佳位置應處于(yu)發生體尾部且(qie)等于發生體寬(kuan)度處，此距離與(yǔ)發生體寬度呈(chéng)線性正比關系(xi)，不随被測介質(zhì)不同而改變。這(zhe)項研究對于渦(wo)街流量計傳感(gǎn)器的改進具有(yǒu)實用性和推廣(guang)性。
　　壓電晶體渦(wō)街傳感器中采(cǎi)用的是壓電材(cái)料受力後💞産生(shēng)的電壓信号作(zuò)爲測試信号，但(dàn)是，壓電晶體傳(chuán)感器信号轉換(huàn)的優劣依賴于(yú)電壓或電荷放(fang)大器性能的影(yǐng)響。利用與壓電(diàn)晶體傳感器同(tóng)樣具有🔴小功率(lǜ)、高内阻且電荷(he)量輸出相似特(tè)性的矽光電🛀池(chi)作爲測試電荷(hé)放大器性能的(de)信号發生器，矽(xi)光電池性能穩(wen)定🧡、耐高溫、耐輻(fú)射、轉換效率高(gāo)和🙇‍♀️頻率相應好(hao)等優點，從而保(bǎo)證♍了測試電荷(hé)放大器頻率響(xiǎng)應特性的準确(què)性。采用矽光電(dian)池信号發生器(qì)測💰得的電荷放(fàng)大器下限截止(zhǐ)頻率(－3dB點)fL2爲10.5Hz，這與(yǔ)理👅論仿真值(10.61Hz)十(shi)分接近，而采用(yòng)壓電信号發生(shēng)器時測得的fL2爲(wei)12Hz，這對壓電式渦(wo)街流量計有很(hen)好的實用性意(yi)義。
　　光纖光栅具(jù)有抗電磁幹擾(rao)、天然電絕緣性(xìng)、抗腐蝕性和體(ti)積🤞小❤️等優異性(xing)能，作爲流量傳(chuán)感器元件具有(yǒu)得天獨厚的條(tiao)件，如檢測精度(dù)高、量程比寬、介(jie)質适應性💛強、線(xiàn)性好和易于實(shí)現智能控制。李(li)紅民等［5］采用電(diàn)子濾波技術把(ba)光纖光栅作爲(wei)敏🐕感元件制作(zuo)了一種光纖光(guang)栅渦街流量傳(chuan)感器。實驗結果(guǒ)表明光纖光栅(shān)♈渦🌈街流量傳感(gǎn)器的量程達到(dào)可🔴以達到25L/min，線性(xing)誤差僅爲0.42%，具有(you)很好的線性度(dù)，測量精度達到(dào)🈲±0.5%F.S。這種傳感器可(kě)以🏃‍♂️适用于高溫(wen)、強輻射、強磁場(chang)幹擾和腐蝕性(xing)環境如化學化(hua)工、礦山、核電等(deng)領域内💃各種氣(qi)體和液體流量(liàng)的☎️測量。
　　随着微(wēi)電子機械技術(shu)研究的不斷發(fā)展，促使流量傳(chuan)感器🏃🏻向🔆高集成(cheng)度、高精度、微型(xíng)化、高準确可靠(kào)性🈚方向發展，适(shì)用于生物、醫藥(yào)、衛生等微流體(ti)計量的新型微(wei)型流量🈲傳感器(qì)不斷湧現。基于(yú)MEMS技術的流量🈲傳(chuán)感器如熱式微(wēi)型、流體振動型(xíng)、差壓型及仿生(shēng)型♻️微型流量傳(chuan)感器等不斷出(chu)現［7］。
　　基于溫差測(cè)量原理推出一(yī)種測量低流速(su)氣體流量的傳(chuan)感🐕器，該傳感器(qi)由一對集成溫(wēn)度傳感器芯片(piàn)與片狀鉑電阻(zu)熱源構成。在低(dī)于0.5cm/s的低流速下(xia)，該傳感器仍具(ju)有💛數十至數百(bai)毫伏的輸出信(xin)号幅度🐪，傳感器(qi)輸出電壓與方(fang)根流速成近似(sì)的線性關系，在(zài)低流速條件下(xià)該流量傳感器(qi)具有靈敏度和(hé)穩定性。
　　渦街流(liu)量計有抗幹擾(rǎo)性能差、量程窄(zhai)等缺點問題，針(zhēn)🏃🏻‍♂️對這些🐅問🐉題，從(cóng)渦街信号的源(yuán)頭加以改進，推(tui)出一種抗幹擾(rao)性能優異的通(tōng)用渦街流量傳(chuan)感器，提高了渦(wō)街信号的信噪(zao)🙇‍♀️比和靈👄敏度，同(tong)時加強保護措(cuò)施，如對初級信(xin)号處理電路的(de)信号和輸出信(xin)号🔅過程的導線(xiàn)進行屏蔽等，提(ti)高了渦街流量(liang)計的抗幹擾性(xing)、并提😍高了測量(liàng)量程。測試證實(shi)，渦街流量計不(bu)僅可以抵抗1.5g以(yǐ)下的機械振動(dong)幹擾，也實現了(le)大于20∶1的寬量程(cheng)比性能。

　　爲了實現對蒸(zheng)汽的流量、壓力(li)、溫度和質量流(liú)量等♊多💋參數準(zhun)确測量，成功研(yan)制出集溫度傳(chuán)感器、壓力🌍傳感(gǎn)器及渦街流量(liàng)傳感器于一體(tǐ)的蒸汽渦街流(liú)量計(如圖4所示(shi))，其中渦🏃‍♂️街流量(liàng)傳感器🏃🏻采用壓(yā)電傳感器與旋(xuán)渦發生體分離(lí)結構的壓電式(shi)🔴通用渦街流量(liàng)傳感器(如圖5所(suo)示)，溫度傳感器(qì)采用精度高、可(kě)靠性強、價格便(bian)宜的高溫薄膜(mó)鉑電阻Pt100或Pt1000傳感(gǎn)器，其耐溫範圍(wéi)更廣:－200～600℃，采🏒用微型(xing)獨立封裝;壓力(lì)傳感器采用精(jing)度高、耐溫穩定(ding)性好、密封可靠(kào)的氩弧焊封裝(zhuāng)結構的高穩态(tài)壓阻式🈲壓力傳(chuan)感器。對該渦街(jie)流量💋計檢定測(ce)試結果爲1級。目(mù)前，覆蓋從DN15到DN30所(suo)有口徑的該渦(wo)街流量計已經(jīng)工業化批量生(shēng)産。
　　懸臂式渦街(jie)流量傳感器具(ju)有信号強、響應(yīng)快、工藝好、制作(zuo)成本低等優點(diǎn)，但是它的固有(yǒu)頻率普遍較低(di)，對大流量信🚶‍♀️号(hao)測定或在複雜(zá)的環境中測量(liang)時其測量精度(du)會🔆受到嚴重幹(gan)擾，爲此，通⭐過對(dui)渦街流量傳感(gǎn)器進行受力分(fèn)析，研究了在一(yi)定力下壓電片(pian)的形變量、懸臂(bì)式渦街流量傳(chuán)感器固有頻率(lü)的🔞決定因素和(hé)管道振動對傳(chuán)感器輸出信号(hào)的影響，設計了(le)兩種新型🈲的、具(jù)有較好的抗♍管(guǎn)道振動能力🔴的(de)抗振懸臂梁渦(wō)街流量傳感器(qi)，實驗表㊙️明，這兩(liǎng)種🛀🏻新型渦街流(liú)量傳感器具有(yǒu)更高靈敏度。
2.2渦(wō)街信号的處理(lǐ)和轉換電路等(deng)的改進
　　渦街流(liu)量計信号的頻(pin)率範圍一般爲(wei)1～2500Hz，易受噪聲的幹(gàn)擾，設計高精度(dù)的渦街信号處(chu)理系統，對渦街(jie)信号處理方式(shi)的改進是自動(dong)化和儀器儀表(biǎo)等學術界的熱(re)點之一。以TMS320F2812芯片(pian)💃爲核心控制器(qi)，利用2812DSP的l2位16通道(dào)ADC模塊對渦街流(liú)量計傳感器信(xin)号進行🔴采集，結(jié)合FFT周期譜圖法(fa)對采集信号進(jìn)行特征分析，提(tí)取到有用信号(hào)，适當地抑制确(que)定性噪聲。實驗(yàn)和仿真驗證了(le)設計系統抗幹(gan)💔擾性能強，具有(yǒu)可行性和正确(que)性。以TMS320LF2407ADSP微處理器(qi)爲核心，通過前(qián)端多級放大及(jí)濾波，并采用高(gao)精度A/D轉換芯片(piàn)，設計了高精度(dù)渦街信号處💋理(li)系統(系統硬件(jiàn)框架圖❓如圖6所(suǒ)示)。仿真♉實驗驗(yan)證，該系統具有(yǒu)實時性強、精度(du)高、性價比高等(děng)優點，有潛在的(de)工業開發價值(zhí)。利用窗🌈函數法(fǎ)設計FIR和了IIR數字(zì)濾波器對渦街(jiē)流量計的輸出(chu)⭕信号進行濾波(bo)處理，濾波後的(de)波形平滑了很(hěn)多，即将大部分(fèn)的噪音♋信号去(qu)除，以提高測定(dìng)流速的準确度(du)。

　　針對渦街流(liú)量計易被幹擾(rao)的問一種基于(yu)MUSIC算法的⭐渦💯街信(xin)号💰處理方法。在(zài)模拟MUSIC算法的基(ji)本原理的基☎️礎(chǔ)上👨‍❤️‍👨，對多種噪聲(shēng)環境下的渦街(jiē)信号進行仿真(zhen)驗證。仿真❗驗證(zheng)結果表明:MUSIC算法(fǎ)可以有效地濾(lü)除典型🌂噪聲，高(gao)精度地分辨頻(pin)率點，對💁改善渦(wō)街🌈流量計的👄性(xing)能有良好☀️的效(xiào)果。采用經驗模(mo)态分解(EMD)方法對(dui)渦🎯街信号中幹(gan)擾噪聲進行濾(lü)除，得到真實的(de)渦街信号。其基(ji)本方法是首先(xiān)将原始信号輸(shu)送到二階低🌈通(tong)濾波器進行幅(fú)值歸一化，然後(hou)将歸一化後的(de)信号經EMD算法分(fen)解成噪聲分量(liàng)和真實渦街信(xin)号分量，最後，通(tōng)過施密特阈值(zhí)翻轉法統計頻(pin)率并判别出♋真(zhen)實的渦街🌈信号(hào)所在的分🙇🏻量，從(cóng)而提取渦街信(xìn)号😘。通過仿真試(shi)驗分析，驗證該(gai)數字信号處理(lǐ)方法的有效性(xing)。以MSP430型單片機爲(wèi)核心對智能渦(wō)街流量計轉換(huàn)電路進行設❓計(ji)與開發，其方法(fǎ)是對渦街傳感(gǎn)器♋前置放大闆(pǎn)送出的脈沖信(xìn)号進行采集處(chu)理，MSP430輸出👄的數字(zi)信号至D/A轉換模(mo)塊産生标準4～20mA信(xìn)号🥰輸出。通過電(diàn)路轉換解決了(le)以往轉♻️換電路(lu)存在的功耗大(da)、性能不穩定等(deng)問題。
3結語
　　随着(zhe)我國經濟模式(shì)的發展轉變和(hé)人力資源成本(ben)的不斷增加💚以(yi)及新技術的不(bú)斷湧現，大型工(gong)業企業要求生(shēng)産設備的㊙️自動(dong)化、智能化程度(dù)越來越高，作爲(wèi)常用流體介質(zhi)的計量設備———渦(wō)街流量計也迎(yíng)來了技術改進(jìn)的最佳時機，如(rú)光纖光栅傳感(gan)技術、超聲傳感(gǎn)技術、光電傳感(gan)技術等用于渦(wō)街流量計🏃‍♀️的制(zhi)備，未來的渦街(jiē)流量計将更加(jia)高端、精密，用于(yu)生物、醫藥、衛生(shēng)健康等行業的(de)精細測量的渦(wō)街流量🔆計将會(hui)得到更大的發(fā)展。

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