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摘要:渦街流量計(jì)是根據(jù)渦街原理制備的測(cè)量氣體和液體流量計(jì)量?jī)x器，自上世紀(jì)八十年代以來(lái)被廣泛使用，其技術(shù)也不斷進(jìn)步。渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件(傳感器)、前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路等方面的技術(shù)特點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
　　渦街流量計(jì)是用于氣體、液體等流體介質(zhì)的測(cè)量的常用儀器之一，其應(yīng)用已經(jīng)從最初的水蒸氣、水的測(cè)量擴(kuò)展到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生、化學(xué)化工等領(lǐng)域。隨著各種相關(guān)技術(shù)等不斷提高，渦街流量計(jì)向著高、精、尖方向發(fā)展。
　　渦街流量計(jì)應(yīng)用最多的領(lǐng)域是石油化工企業(yè)，由于其傳感部件可以不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，可以用于測(cè)量各類(lèi)液體、氣體流量，一般其不銹鋼旋渦發(fā)生體和封裝于不銹鋼體的傳感器，能夠耐受高溫高壓，可用于液體、氣體、蒸汽測(cè)量。現(xiàn)在也有推出管徑小于�h25mm以下的采用模壓成型工藝的全塑料產(chǎn)品渦街流量傳感器，配置非接觸的超聲波檢測(cè)元件，可用于腐蝕性液體和高純凈液體的流量測(cè)量。在石油化工、制藥、食品和半導(dǎo)體工業(yè)中，渦街流量計(jì)有著廣泛的應(yīng)用，可以準(zhǔn)確測(cè)量的介質(zhì)包括甲醇、甲醛、丙酮、甲苯、三氯乙烯、乙烯、丁烷液氨、空分裝置中液氧、液氮流量等，還有半導(dǎo)體工業(yè)純水、超凈純水等。
　　根據(jù)卡門(mén)(Karman)渦街原理研制的渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體如氣體、液體等的流量測(cè)量。渦街流量計(jì)的特點(diǎn)是量程范圍大、壓力損失小，在體積流量測(cè)量時(shí)幾乎不受流體密度、溫度、壓力、粘度等因素的影響，精度高，維護(hù)量小，可靠性高，工作溫度范圍較寬(－20～250℃)。信號(hào)輸出方式有數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，也有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，易于智能化、自動(dòng)化控制，是大中型企業(yè)比較先進(jìn)、理想的介質(zhì)流量測(cè)量?jī)x器。常見(jiàn)的渦街流量計(jì)如圖1所示。

　　渦街流量計(jì)分類(lèi)方法有多種，如按照檢測(cè)方式分為熱敏式、電容式、應(yīng)力式、超聲式、應(yīng)變式、光電式、振動(dòng)體式和光纖式等;按傳感器與轉(zhuǎn)換器組成分為一體型和分離型;按測(cè)量原理分為質(zhì)量流量計(jì)和體積流量計(jì)等。本文在介紹了渦街流量計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)最近幾年來(lái)關(guān)于渦街流量計(jì)的改造現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)述評(píng)，以期進(jìn)一步推動(dòng)渦街流量計(jì)發(fā)展。
1渦街流量計(jì)的基本原理
　　渦街流量計(jì)中卡門(mén)渦街形成基本原理如圖2所示。

　　正如圖2所示，處于流體中的三角柱是旋渦發(fā)生體，當(dāng)流體從旋渦發(fā)生體兩側(cè)流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生有規(guī)則的交替旋渦———卡門(mén)旋渦，這些規(guī)則交替的旋渦在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱(chēng)地排列。旋渦的釋放頻率f與流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān)，可用下式表示:
f=Stv/d
式中:
f———旋渦的釋放頻率，Hz
v———流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度，m/s
d———旋渦發(fā)生體特征寬度，m
St———斯特羅哈數(shù)，無(wú)量綱，它的數(shù)值范圍為0.14～0.27
St———雷諾數(shù)Re的函數(shù)，當(dāng)Re在102～105范圍內(nèi)，St值大約為0.2
因此，在測(cè)量過(guò)程中，要盡量滿(mǎn)足流體的Re在102～105，則旋渦的頻率f=0.2v/d。
　　由此可知，通過(guò)測(cè)量旋渦頻率f即可得出流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度v，再由公式q=vA即可求出流體流量q，其中A為流體流過(guò)旋渦發(fā)生體的截面積。
2渦街流量計(jì)的技術(shù)改進(jìn)研究
　　渦街流量計(jì)主要由渦街傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。其中傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件等;轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子等。因此，渦街流量計(jì)的技術(shù)改進(jìn)研究也主要集中在這幾個(gè)方面。以下為近幾年來(lái)渦街流量計(jì)技術(shù)改進(jìn)的現(xiàn)狀。
2.1傳感器改進(jìn)
　　渦街流量計(jì)的重要組成部分是傳感器，其靈敏度和精度都與傳感器直接相關(guān)，因此，傳感器的改進(jìn)是渦街流量計(jì)改進(jìn)的重點(diǎn)研究課題之一。蔡武昌［1］指出流量檢測(cè)儀表的關(guān)鍵問(wèn)題之一是傳感器的設(shè)計(jì)，其預(yù)測(cè)流量計(jì)技術(shù)改進(jìn)的一個(gè)重要方面是傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該將溫度、壓力、管徑等參數(shù)集合到流量傳感器內(nèi)。
　　渦街流量計(jì)的缺點(diǎn)是抗干擾性能差，震動(dòng)、強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫環(huán)境因素等對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)定有很大影響，因此設(shè)計(jì)高抗干擾的流量計(jì)是渦街流量計(jì)研究者的追求。潘嵐等［2］針對(duì)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)了懸浮式差動(dòng)傳感器(如圖3所示)，其設(shè)計(jì)原理為，懸浮式差動(dòng)傳感器B位于漩渦發(fā)生體的后面，懸浮式差動(dòng)傳感器每個(gè)檢測(cè)元件使用4個(gè)壓電晶體，平板兩側(cè)分別對(duì)稱(chēng)固定了兩個(gè)檢測(cè)單元，以形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。兩壓電陶瓷片之間由一金屬質(zhì)量塊固定成一個(gè)剛體，同時(shí)金屬質(zhì)量塊作為壓電陶瓷的輸出電極，輸出檢測(cè)信號(hào)給電荷放大電路，并聯(lián)的兩片壓電晶體使輸出的渦街流量信號(hào)增大，使渦街流量計(jì)輸出信號(hào)的信噪比得到很大提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝懸浮式差動(dòng)傳感器的渦街流量計(jì)抗干擾性能顯著改善。

　　當(dāng)渦街傳感器中漩渦發(fā)生體和壓電探頭處于分離狀態(tài)時(shí)壓電探頭的位置對(duì)渦街信號(hào)的檢測(cè)具有比較大的影響。因此，壓電探頭位置與渦街信號(hào)幅值、頻率之間的聯(lián)系，不同旋渦發(fā)生體，最強(qiáng)渦街信號(hào)出現(xiàn)的位置也不同。通過(guò)在DN100和DN50的水、氣介質(zhì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上研究發(fā)現(xiàn)，傳感器中壓電探頭的最佳位置應(yīng)處于發(fā)生體尾部且等于發(fā)生體寬度處，此距離與發(fā)生體寬度呈線(xiàn)性正比關(guān)系，不隨被測(cè)介質(zhì)不同而改變。這項(xiàng)研究對(duì)于渦街流量計(jì)傳感器的改進(jìn)具有實(shí)用性和推廣性。
　　壓電晶體渦街傳感器中采用的是壓電材料受力后產(chǎn)生的電壓信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，但是，壓電晶體傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣依賴(lài)于電壓或電荷放大器性能的影響。利用與壓電晶體傳感器同樣具有小功率、高內(nèi)阻且電荷量輸出相似特性的硅光電池作為測(cè)試電荷放大器性能的信號(hào)發(fā)生器，硅光電池性能穩(wěn)定、耐高溫、耐輻射、轉(zhuǎn)換效率高和頻率相應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了測(cè)試電荷放大器頻率響應(yīng)特性的準(zhǔn)確性。采用硅光電池信號(hào)發(fā)生器測(cè)得的電荷放大器下限截止頻率(－3dB點(diǎn))fL2為10.5Hz，這與理論仿真值(10.61Hz)十分接近，而采用壓電信號(hào)發(fā)生器時(shí)測(cè)得的fL2為12Hz，這對(duì)壓電式渦街流量計(jì)有很好的實(shí)用性意義。
　　光纖光柵具有抗電磁干擾、天然電絕緣性、抗腐蝕性和體積小等優(yōu)異性能，作為流量傳感器元件具有得天獨(dú)厚的條件，如檢測(cè)精度高、量程比寬、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、線(xiàn)性好和易于實(shí)現(xiàn)智能控制。李紅民等［5］采用電子濾波技術(shù)把光纖光柵作為敏感元件制作了一種光纖光柵渦街流量傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖光柵渦街流量傳感器的量程達(dá)到可以達(dá)到25L/min，線(xiàn)性誤差僅為0.42%，具有很好的線(xiàn)性度，測(cè)量精度達(dá)到±0.5%F.S。這種傳感器可以適用于高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾和腐蝕性環(huán)境如化學(xué)化工、礦山、核電等領(lǐng)域內(nèi)各種氣體和液體流量的測(cè)量。
　　隨著微電子機(jī)械技術(shù)研究的不斷發(fā)展，促使流量傳感器向高集成度、高精度、微型化、高準(zhǔn)確可靠性方向發(fā)展，適用于生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生等微流體計(jì)量的新型微型流量傳感器不斷涌現(xiàn)。基于MEMS技術(shù)的流量傳感器如熱式微型、流體振動(dòng)型、差壓型及仿生型微型流量傳感器等不斷出現(xiàn)［7］。
　　基于溫差測(cè)量原理推出一種測(cè)量低流速氣體流量的傳感器，該傳感器由一對(duì)集成溫度傳感器芯片與片狀鉑電阻熱源構(gòu)成。在低于0.5cm/s的低流速下，該傳感器仍具有數(shù)十至數(shù)百毫伏的輸出信號(hào)幅度，傳感器輸出電壓與方根流速成近似的線(xiàn)性關(guān)系，在低流速條件下該流量傳感器具有靈敏度和穩(wěn)定性。
　　渦街流量計(jì)有抗干擾性能差、量程窄等缺點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，從渦街信號(hào)的源頭加以改進(jìn)，推出一種抗干擾性能優(yōu)異的通用渦街流量傳感器，提高了渦街信號(hào)的信噪比和靈敏度，同時(shí)加強(qiáng)保護(hù)措施，如對(duì)初級(jí)信號(hào)處理電路的信號(hào)和輸出信號(hào)過(guò)程的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行屏蔽等，提高了渦街流量計(jì)的抗干擾性、并提高了測(cè)量量程。測(cè)試證實(shí)，渦街流量計(jì)不僅可以抵抗1.5g以下的機(jī)械振動(dòng)干擾，也實(shí)現(xiàn)了大于20∶1的寬量程比性能。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽的流量、壓力、溫度和質(zhì)量流量等多參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量，成功研制出集溫度傳感器、壓力傳感器及渦街流量傳感器于一體的蒸汽渦街流量計(jì)(如圖4所示)，其中渦街流量傳感器采用壓電傳感器與旋渦發(fā)生體分離結(jié)構(gòu)的壓電式通用渦街流量傳感器(如圖5所示)，溫度傳感器采用精度高、可靠性強(qiáng)、價(jià)格便宜的高溫薄膜鉑電阻Pt100或Pt1000傳感器，其耐溫范圍更廣:－200～600℃，采用微型獨(dú)立封裝;壓力傳感器采用精度高、耐溫穩(wěn)定性好、密封可靠的氬弧焊封裝結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)態(tài)壓阻式壓力傳感器。對(duì)該渦街流量計(jì)檢定測(cè)試結(jié)果為1級(jí)。目前，覆蓋從DN15到DN30所有口徑的該渦街流量計(jì)已經(jīng)工業(yè)化批量生產(chǎn)。
　　懸臂式渦街流量傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、響應(yīng)快、工藝好、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是它的固有頻率普遍較低，對(duì)大流量信號(hào)測(cè)定或在復(fù)雜的環(huán)境中測(cè)量時(shí)其測(cè)量精度會(huì)受到嚴(yán)重干擾，為此，通過(guò)對(duì)渦街流量傳感器進(jìn)行受力分析，研究了在一定力下壓電片的形變量、懸臂式渦街流量傳感器固有頻率的決定因素和管道振動(dòng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了兩種新型的、具有較好的抗管道振動(dòng)能力的抗振懸臂梁渦街流量傳感器，實(shí)驗(yàn)表明，這兩種新型渦街流量傳感器具有更高靈敏度。
2.2渦街信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換電路等的改進(jìn)
　　渦街流量計(jì)信號(hào)的頻率范圍一般為1～2500Hz，易受噪聲的干擾，設(shè)計(jì)高精度的渦街信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)渦街信號(hào)處理方式的改進(jìn)是自動(dòng)化和儀器儀表等學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)之一。以TMS320F2812芯片為核心控制器，利用2812DSP的l2位16通道ADC模塊對(duì)渦街流量計(jì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，結(jié)合FFT周期譜圖法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行特征分析，提取到有用信號(hào)，適當(dāng)?shù)匾种拼_定性噪聲。實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)抗干擾性能強(qiáng)，具有可行性和正確性。以TMS320LF2407ADSP微處理器為核心，通過(guò)前端多級(jí)放大及濾波，并采用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了高精度渦街信號(hào)處理系統(tǒng)(系統(tǒng)硬件框架圖如圖6所示)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，有潛在的工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值。利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR和了IIR數(shù)字濾波器對(duì)渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波后的波形平滑了很多，即將大部分的噪音信號(hào)去除，以提高測(cè)定流速的準(zhǔn)確度。

　　針對(duì)渦街流量計(jì)易被干擾的問(wèn)一種基于MUSIC算法的渦街信號(hào)處理方法。在模擬MUSIC算法的基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)多種噪聲環(huán)境下的渦街信號(hào)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明:MUSIC算法可以有效地濾除典型噪聲，高精度地分辨頻率點(diǎn)，對(duì)改善渦街流量計(jì)的性能有良好的效果。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解(EMD)方法對(duì)渦街信號(hào)中干擾噪聲進(jìn)行濾除，得到真實(shí)的渦街信號(hào)。其基本方法是首先將原始信號(hào)輸送到二階低通濾波器進(jìn)行幅值歸一化，然后將歸一化后的信號(hào)經(jīng)EMD算法分解成噪聲分量和真實(shí)渦街信號(hào)分量，最后，通過(guò)施密特閾值翻轉(zhuǎn)法統(tǒng)計(jì)頻率并判別出真實(shí)的渦街信號(hào)所在的分量，從而提取渦街信號(hào)。通過(guò)仿真試驗(yàn)分析，驗(yàn)證該數(shù)字信號(hào)處理方法的有效性。以MSP430型單片機(jī)為核心對(duì)智能渦街流量計(jì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，其方法是對(duì)渦街傳感器前置放大板送出的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集處理，MSP430輸出的數(shù)字信號(hào)至D/A轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)輸出。通過(guò)電路轉(zhuǎn)換解決了以往轉(zhuǎn)換電路存在的功耗大、性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。
3結(jié)語(yǔ)
　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)模式的發(fā)展轉(zhuǎn)變和人力資源成本的不斷增加以及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，大型工業(yè)企業(yè)要求生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，作為常用流體介質(zhì)的計(jì)量設(shè)備———渦街流量計(jì)也迎來(lái)了技術(shù)改進(jìn)的最佳時(shí)機(jī)，如光纖光柵傳感技術(shù)、超聲傳感技術(shù)、光電傳感技術(shù)等用于渦街流量計(jì)的制備，未來(lái)的渦街流量計(jì)將更加高端、精密，用于生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生健康等行業(yè)的精細(xì)測(cè)量的渦街流量計(jì)將會(huì)得到更大的發(fā)展。

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