0 引言(yán)
　　 流量計 是(shì)指示被測(ce)流量和在(zài)選定時間(jian)間隔内流(liú)體總量的(de)儀表。流量(liang)計的種類(lèi)類别非常(cháng)多，利用的(de)測量原理(lǐ)也各不相(xiàng)同，有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、電學(xué)原理及光(guang)學原理等(deng)。當前 , 在氣(qi)體及低粘(zhan)度液體流(liú)量計選型(xíng)中 , 由于孔(kǒng)闆流量計(ji)有悠久的(de)曆史背景(jǐng)，各種試驗(yàn)數據齊全(quan)。結構簡單(dān)，無可動部(bù)件，标準化(huà)程度高，可(kě)不必進行(hang)實流标定(dìng)等優點，被(bèi)廣泛使用(yòng)。
　　 孔闆流量(liàng)計 屬于差(chà)壓式流量(liang)計，流體流(liú)過管體内(nei)的節流裝(zhuāng)置，在節流(liú)裝置周圍(wéi)産生收縮(suō)，利用壓力(lì)差來測量(liàng)流體流速(su)。孔闆流量(liàng)計的節流(liu)裝置爲孔(kong)闆，即中央(yāng)開有圓孔(kǒng)的金屬闆(pan)，其結構如(ru)圖 1 所示。安(an)裝時将孔(kǒng)闆垂直放(fàng)置在管道(dào)中，測取孔(kong)闆前後兩(liǎng)端的壓力(lì)差，用傳感(gǎn)器把感知(zhī)的壓力差(chà)轉換爲電(dian)壓量，然後(hòu)與壓差計(ji)相連，即構(gòu)成孔闆流(liú)量計。由于(yu)孔闆流量(liang)計是通過(guò)産生壓力(lì)損失進行(háng)流量檢測(cè)，所以壓力(li)損失較大(dà)，通常高達(dá) 10 ～ 20kpa。由于孔闆(pan)流量計的(de)流量系數(shu)與雷諾系(xi)數有關，它(tā)的測量範(fan)圍比較窄(zhai)，量程範圍(wei)一般爲 3:1 ～ 4:1，而(er)且孔闆流(liú)量計在實(shí)際應用中(zhong)，由于安裝(zhuang)複雜，整個(ge)壓力傳遞(dì)路徑中易(yi)受到洩漏(lou)、冷凝壺及(ji)下遊導壓(ya)管位置偏(pian)差、孔闆同(tóng)心度、垂直(zhí)度等衆多(duo)因素的影(yǐng)響，實際精(jīng)度難以确(què)定。

　　因(yīn)此，爲了解(jiě)決孔闆流(liu)量計在測(ce)量時存在(zai)的諸多問(wen)題，渦街流(liú)量計 應運(yun)而生。
1 渦街(jiē)流量計的(de)優缺點
　　渦(wō)街流量計(jì)在諸多應(ying)用方面都(dōu)優于傳統(tong)的孔闆流(liú)量計。比如(ru)，孔闆流量(liàng)計 1 個測量(liang)回路靜密(mi)封點爲 20 個(ge)左右。相比(bǐ)而言，渦街(jiē)流量計的(de)靜密封點(diǎn)隻有 3 個，不(bú)容易洩漏(lou) ，它不受流(liu)體溫度、壓(ya)力還有密(mì)度等影響(xiǎng)，流量系數(shu)長期不變(biàn)[1]。
　　但是渦街(jiē)流量計在(zai)使用的時(shi)候，也存在(zai)一些問題(ti)。
1）由于渦街(jie)流量計的(de)原始信号(hào)爲頻率信(xin)号，緻使渦(wo)街流量計(jì)實際爲一(yī)種數字式(shì)儀表。它隻(zhī)要能正常(chang)工作，精度(du)一定有保(bǎo)證。但是一(yī)旦不能正(zhèng)常工作，産(chan)生的測量(liàng)誤差将非(fēi)常大，甚至(zhì)連流量的(de)變化趨勢(shi)都不能指(zhǐ)示，徹底不(bu)能工作。
2）漩(xuan)渦升力與(yu)流量的平(ping)方呈正比(bi)、與流體的(de)密度呈正(zhèng)比。因此，流(liu)量減小時(shi)，渦街信号(hào)以 2 階關系(xi)急劇減弱(ruò)，而氣體的(de)渦街信号(hào)遠低于液(yè)體。在用于(yú)氣體流量(liàng)檢測時，因(yin)低密度、低(dī)流速導緻(zhi)渦街信号(hào)微弱，極易(yì)湮沒在幹(gàn)擾之中，流(liu)量計無法(fǎ)正确識别(bie)出漩渦，緻(zhi)使測量失(shi)敗。
3）由于渦(wo)街流量計(jì)傳感器必(bi)須敏感檢(jian)測小流量(liàng)時微小的(de)渦街升力(li)，直接限制(zhì)了傳感器(qi)的結構。針(zhēn)對以上一(yī)些問題，下(xià)面将做部(bù)分探讨。
2 渦(wo)街流量計(ji)工作原理(lǐ)與結構
2.1 渦(wō)街流量計(ji)的工作原(yuán)理
　　在日常(cháng)生活中經(jīng)常能看到(dao)渦街現象(xiang)，比如風中(zhōng)的旗幟，由(you)于旗杆産(chan)生的渦街(jiē)而擺動，風(feng)越大，旗幟(zhì)擺動越快(kuai)－－擺動與風(feng)速呈正比(bi)。還有橋墩(dun)、煙囪、高樓(lóu)的設計均(jun1)需考慮渦(wo)街的破壞(huai)力。
　　渦街流(liú)量計就是(shì)參考日常(cháng)生活中渦(wō)街現象的(de)原理，在管(guan)道中插入(ru)合适大小(xiǎo)和形狀的(de)柱體（即渦(wo)街發生體(tǐ)）。當流體流(liu)過時，在渦(wo)街發生體(tǐ)後兩側産(chan)生交替排(pái)列的漩渦(wo)，這種漩渦(wo)被稱爲卡(ka)門漩渦。漩(xuán)渦的頻率(lǜ)與流量呈(cheng)正比。可用(yong)下式表示(shi)：

式（1）中：f 爲漩(xuán)渦的頻率(lü)；v 爲流過渦(wo)街發生體(ti)的流體的(de)平均速度(dù)；d 爲渦街發(fā)生體的流(liu)面寬度；St 爲(wèi)斯特勞哈(ha)爾數（Strouhal number），數值(zhí)的範圍爲(wèi) 0.14 ～ 0.27。測量時，一(yi)般假定 St=0.2。由(yóu)此，通過測(cè)量漩渦的(de)頻率就可(ke)以計算出(chū)流過渦街(jie)發生體的(de)流體平均(jun1)速度 v，再由(yóu)下式 ：

可以(yi)求出流量(liang) q。其中，A 爲流(liú)體流過渦(wo)街發生體(ti)的截面積(ji)。
2.2 渦街流量(liang)計的結構(gòu)
　　渦街流量(liang)計的基本(ben)結構爲傳(chuán)感器和轉(zhuǎn)換器 2 大部(bù)分。傳感器(qì)包含渦街(jiē)發生體、檢(jiǎn)測元件等(deng)；轉換器包(bāo)含有放大(dà)電路、濾波(bō)整形電路(lu)以及 D/A 轉換(huan)電路等；渦(wo)街發生體(tǐ)常見的有(you)圓柱型、T 型(xing)柱、四角柱(zhù)和三角柱(zhù)。目前采用(yòng)較多，反饋(kuì)最好的是(shi)三角柱型(xing)的渦街發(fā)生體。檢測(cè)元件有壓(yā)電晶片、熱(re)敏電阻、超(chao)聲波和應(ying)變片差動(dòng)電容等。轉(zhuǎn)換器部分(fen)基本都智(zhì)能化了，把(bǎ)微處理器(qi)芯片都安(an)裝其中。渦(wō)街流量可(ke)直接在管(guǎn)道上安裝(zhuang)、互換性強(qiáng)、體積小、長(zhang)期運行精(jīng)度高，可适(shi)用于大多(duō)數液體、蒸(zheng)汽和氣體(tǐ)的測量。3 小(xiao)流量、低流(liu)速測量的(de)限制問題(tí)。
　　基于渦街(jiē)流量計的(de)原理，流量(liang)信号的強(qiáng)度與流量(liang)的平方成(cheng)正比，即流(liú)速降低時(shi)，渦街信号(hào)将以平方(fang)關系急劇(ju)下降。圖 2 顯(xiǎn)示流量由(you)零增大時(shí)，渦街信号(hào)的波形記(ji)錄。在相同(tóng)條件之下(xia)，1m/s 流速的氣(qi)體産生的(de)漩渦力僅(jin)是 5m/s 流速時(shi)的 1/25。爲保證(zhèng)小流量的(de)檢測，必須(xu)具備極高(gāo)的漩渦振(zhèn)動檢測靈(líng)敏度，将流(liu)量信号放(fàng)大千倍，由(you)此導緻渦(wo)街流量計(ji)對于蒸汽(qi)管道的振(zhen)動極爲敏(min)感，無流量(liang)時指示的(de)實際爲振(zhen)動幹擾信(xìn)号，這是渦(wō)街流量計(ji)在實際應(ying)用中最大(da)的問題。

　　渦街流量(liàng)計的檢測(cè)部件利用(yòng)壓電晶片(piàn)來檢測漩(xuán)渦的頻率(lü) f，由此得到(dào)電壓信号(hao)。此電壓信(xìn)号需要經(jing)過放大電(dian)路和觸發(fa)裝置，将漩(xuan)渦頻率最(zuì)終變成儀(yí)器所能顯(xiǎn)示的脈沖(chong)信号。此脈(mo)沖信号再(zai)次送入轉(zhuan)換儀表裝(zhuang)置換算成(cheng)可顯示的(de)被測流量(liàng)。其中，放大(dà)器的放大(dà)倍數 A 和觸(chu)發器的門(mén)限電壓均(jun1)可以進行(hang)調整。如圖(tu) 3 所示。

圖 3 中(zhōng)輸入信号(hao)電壓爲 E，噪(zao)聲信号轉(zhuǎn)換到電壓(yā)輸入端爲(wei) V, 門限電壓(yā) U 通過放大(dà)器輸出爲(wei) u, 放大器的(de)放大倍數(shù)爲 A。因 u=AU，所以(yi)改變 A 或者(zhě) U 的效果是(shi)相同的[2]。
如(rú)圖 4 所示。要(yào)使得觸發(fā)器的輸出(chu)信号爲有(yǒu)效信号，必(bi)須使得觸(chù)發器輸入(ru)的有效信(xìn)号 u 遠大于(yu)噪聲信号(hào)。因此，渦街(jiē)流量計正(zheng)常工作的(de)必要條件(jian)是：E > u > V。

　　當渦街流(liú)量計測量(liang)低流速、小(xiǎo)流量流體(tǐ)的時候，依(yi)據上述分(fèn)析必須提(tí)高信噪比(bi)，盡量提高(gao)輸入流量(liàng)的有效信(xìn)号，降低機(ji)械振動産(chǎn)生的幹擾(rǎo)信号的幅(fu)值。因此，可(kě)以修正阻(zǔ)流體的結(jie)構形狀，使(shǐ)傳感器能(neng)更好地接(jiē)收漩渦的(de)脈動頻率(lǜ)，這樣可以(yǐ)大幅度提(tí)高有效信(xin)号的幅值(zhi)[3]。另一種更(geng)實際有效(xiao)的辦法是(shi)在漩渦發(fa)生體的兩(liang)端分别安(an)裝 1 對對稱(cheng)的壓電晶(jing)體，采用差(cha)動式的壓(ya)電傳感器(qi)感知信号(hào)，并利用差(cha)動放大電(dian)路來放大(da)信号，如圖(tú) 4 所示。由于(yú)電路中機(jī)械振動産(chǎn)生的幹擾(rao)對 2 塊壓電(diàn)晶體的作(zuò)用力是一(yī)緻的，并且(qie)流體漩渦(wo)在阻流體(tǐ)兩側是交(jiao)替産生的(de)，所以幹擾(rǎo)産生的信(xin)号通過差(cha)動放大後(hòu)，機械振動(dòng)信号因爲(wei)相同而相(xiàng)互抵消削(xue)減，而2 塊壓(yā)電晶體相(xiang)反的流量(liang)信号相加(jia)後增強。于(yu)是，大大降(jiàng)低了機械(xie)振動信号(hao)的幹擾。
4 大(da)流量、高流(liu)速測量的(de)限制問題(tí)
　　通常認爲(wèi)，管道裏的(de)蒸汽流速(sù)不會超過(guo) 60m/s，在選擇流(liu)量計時，量(liàng)程達到 60m/s 就(jiù)已足夠，而(ér)采用在線(xian)實時頻譜(pǔ)分析時發(fā)現：?80 及其以(yǐ)下的管線(xian)，經常出現(xiàn)高于 80m/s 的高(gāo)流速，其中(zhong)有近一半(ban)的出現超(chao)過 100m/s 的高流(liu)速，更有甚(shèn)者，流速高(gao)達 180m/s。一般的(de)渦街流量(liang)計在流速(su)過高時，因(yin)劇烈的漏(lou)波現象，出(chu)現難以估(gu)算的誤差(chà)，所以也難(nan)于判斷超(chāo)高流速的(de)大小。如圖(tú) 5 所示，漏波(bō)現象使流(liú)量偏小 44.3%。針(zhēn)對這一現(xiàn)象，采用頻(pín)譜分析＋動(dòng)态濾波，改(gai)善信号波(bō)動，消除“漏(lòu)波”現象。

　　信(xìn)号可以從(cong)時域分析(xi)，也可以從(cóng)頻域分析(xī)。時域的信(xin)号圖像，是(shi)以時間軸(zhou)爲橫軸；頻(pin)域的信号(hao)圖像，是以(yi)頻率值作(zuò)爲橫軸。信(xìn)号的時域(yù)分析主要(yao)側重于信(xìn)号的直觀(guan)印象，例如(rú)信号的周(zhōu)期，信号在(zài)某一時間(jian)點的幅值(zhi)等。信号的(de)頻域分析(xi)，是采用傅(fu)裏葉變換(huàn)，将 X（t）變換成(cheng) X（f）[4]。具體的變(biàn)換方法在(zài)這裏不再(zài)贅述。信号(hào)的頻譜圖(tu)表明了信(xìn)号在不同(tong)頻率分量(liang)成分的大(dà)小，比時域(yù)圖像提供(gong)更具體更(geng)豐富的頻(pin)域圖像。在(zai) PicoScope 示波器中(zhōng)，可以利用(yong)其頻譜分(fèn)析的功能(neng)來觀察信(xìn)号的頻譜(pu)。
　　信号的濾(lü)波處理通(tōng)常是信号(hào)處理中常(cháng)用的方法(fa)。信号的濾(lü)波主要是(shi)獲得自己(jǐ)想要的信(xìn)号，并且過(guò)濾掉不符(fú)合實驗要(yao)求的信号(hào)。通常有低(di)通、高通、帶(dai)通、帶阻這(zhè)幾種方式(shì)。實際應用(yòng)中，通常是(shì)設計濾波(bō)電路對電(dian)路進行濾(lü)波。在測試(shi)測量中，往(wang)往需要的(de)是濾掉信(xìn)号中的雜(za)波。盡可能(néng)排除影響(xiǎng)因素，通過(guo)對傳感器(qì)原始信号(hào)直接進行(hang)實時頻譜(pǔ)分析，得出(chu)超高流速(su)時的流量(liang)值。如圖 6 所(suǒ)示。

5 結束語(yǔ)
　　由于渦街(jiē)流量計容(róng)易與數字(zì)電子設備(bèi)配套使用(yong)，所以是一(yī)種比較先(xiān)進、理想的(de)測量儀器(qì)。漩渦升力(lì)與流量的(de)平方呈正(zheng)比、與流體(tǐ)的密度呈(chéng)正比。因此(ci)，當小流量(liang)、低流速或(huo)大流量、高(gāo)流速的時(shí)候，對渦街(jie)流量計提(tí)出了比較(jiào)高的要求(qiú)。針對這個(gè)問題，本文(wen)做了相應(ying)的探讨。爲(wei)了使渦街(jie)流量計盡(jìn)可能測量(liang)低流速、小(xiǎo)流量，必須(xū)提高信噪(zào)比，采用差(cha)動壓電傳(chuán)感器和差(cha)動放大電(dian)路，盡量提(ti)高有效流(liú)量信号的(de)幅值而降(jiàng)低機械振(zhèn)動幹擾信(xìn)号的幅值(zhi)。針對高流(liú)速、大流量(liang)産生漏波(bo)現象的問(wèn)題，采用頻(pin)譜分析和(hé)動态濾波(bō)的方法，盡(jìn)量減少漏(lòu)波現象。圖(tú) 7 爲未處理(lǐ)時流量計(ji)輸出的傳(chuan)感器信号(hao)和放大器(qi)輸出信号(hào)。圖 7（a）上部爲(wei)傳感器輸(shu)出的原始(shǐ)信号，下部(bu)爲放大器(qì)輸出信号(hào)；圖 7（b）爲展開(kāi)的視圖。圖(tu) 8 爲處理後(hòu)流量計輸(shu)出的傳感(gan)器信号和(he)放大器輸(shu)出信号。圖(tú) 8（a）上部爲傳(chuán)感器輸出(chū)的原始信(xin)号，下部爲(wei)放大器輸(shū)出信号；圖(tú) 8（b）爲展開的(de)視圖。

以上(shang)内容來源(yuán)于網絡，如(rú)有侵權請(qing)聯系即删(shān)除!