數顯壓縮空氣流量計在不同流速（sù）時測量問（wèn）題的分析研究

本文概述：
目前工業生（shēng）產中流量計的種類類別非常多（duō），基於不（bú）同的（de）測量原理進行（háng）工（gōng）作，力學原理、熱學原理、電學（xué）原理（lǐ）及光學原（yuán）理等。
數顯壓縮空氣流量（liàng）計（jì）是（shì）種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產的測量氣（qì）體（tǐ）、蒸汽或液體的體積流量、標況的體（tǐ）積（jī）流量或質量流量的體積流量計。主要用於工（gōng）業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質。特點是壓力損失小，量程（chéng）範圍大，精（jīng）度高，在測量（liàng）工況體積流（liú）量時（shí）幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等（děng）參數的（de）影（yǐng）響。無可（kě）動（dòng）機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能（néng）長期穩定。數顯壓（yā）縮空氣流量計采用壓電應力式傳感（gǎn）器，可靠性（xìng）高，可在-20℃～+250℃的工作（zuò）溫度範圍內工作（zuò）。有模（mó）擬標準信號，也有數字脈衝信號輸出，容易與計算（suàn）機等數字係統配套使用，是一種比較先進、理想的測量（liàng）儀器。
數顯壓（yā）縮空氣流量計在固（gù）有原理、結（jié）構、安裝（zhuāng）維護、運行費用和能（néng）耗等方麵，有很大的優勢，是目前氣體和低粘度液體的*佳選擇之一。但是（shì）數顯壓縮（suō）空（kōng）氣流量（liàng）計（jì）在某些方麵具有技術難（nán）點需要克服。
本文主要探討在小流量（liàng）低流速和（hé）大流量高流速的情況下，數顯壓縮空氣流量計檢測時的一些限製問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、數顯壓縮空氣流量計的優缺點
數顯壓縮空（kōng）氣流（liú）量計在諸多應用方麵都優於傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回（huí）路靜密封點為（wéi） 20 個左右。相比而言，數顯壓縮（suō）空氣流量計（jì）的靜（jìng）密封點隻有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫（wēn）度、壓力還有密度等影響，流量（liàng）係（xì）數長期不變。但是數顯壓縮空（kōng）氣流量計在使（shǐ）用的時候，也（yě）存在一些問題。
1）由於數顯（xiǎn）壓縮空（kōng）氣流量計的原始信號（hào）為頻率信號，致使（shǐ）數顯（xiǎn）壓縮空氣流量計實際為一種數字式儀表。它隻要（yào）能正常工（gōng）作，精度一定有保證。但（dàn）是一旦不能（néng）正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變（biàn）化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流（liú）量的平方呈正比（bǐ）、與流體的密度呈（chéng）正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階（jiē）關係急劇減弱，而氣體的渦街信號遠低於（yú）液（yè）體。在用於氣（qì）體流量檢測時，因低（dī）密度、低流速導（dǎo）致渦街信號微弱，*易（yì）湮（yān）沒在幹擾之中，流（liú）量計無法正確（què）識（shí）別出漩渦，致使測量失敗。
3）由於數顯壓縮空氣流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限（xiàn）製了傳感器的結構。針對以上一些問（wèn）題，下麵將做部分探討（tǎo）。
2、數顯壓縮空氣流量計工作（zuò）原理與結構
2.1數顯壓縮空氣流量計的工作原理在日常生活中經常能看到渦街現象，比如風（fēng）中的旗幟，由於旗杆產生的渦（wō）街而擺動，風越大（dà），旗幟擺動越快－－擺動頻率與風速呈正比。還有（yǒu）橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的破壞力。數顯壓縮空氣流量計就是參考日常生活（huó）中渦街現象的原理，在管道中插入合適大小和（hé）形狀的柱體（即渦街發生體）。當流體流過時，在渦街發生體後兩側產生交替排列的漩渦（wō），這（zhè）種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的（de）頻率（lǜ）與流量呈正比（bǐ）。可用下式表示（shì）：F=stv/d式（1）中：f 為漩（xuán）渦的頻（pín）率；v 為流過（guò）渦街發生體的流體的平均速（sù）度；d 為渦街發生體的流麵寬（kuān）度；St 為斯特勞哈爾數（Strouhal number），數值（zhí）的範圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通（tōng）過測量漩渦的頻率就可以計算出流過渦街發生體的流體平均速度 v，再由下式 ：Q=vA  可以求出流量 q。其中，A 為流體流過渦街發生體的截（jié）麵積。
2.2數顯壓縮空氣流量（liàng）計的結構 數顯壓縮空氣流量計的基本（běn）結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包含渦街發生體、檢測元件（jiàn）等；轉換器包含有放大電路、濾（lǜ）波整形電路以及 D/A 轉換電路等；渦街發生體（tǐ）常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱（zhù）和三角柱（zhù）。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元（yuán）件有（yǒu）壓電晶片、熱敏電阻、超（chāo）聲波和應變片差動電容（róng）等（děng）。轉換器部分（fèn）基本都智能化了，把微（wēi）處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強、體（tǐ）積小、長期運行精度高，可適用於大多數液體、蒸（zhēng）汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測（cè）量的限製問題基於數顯壓縮空氣流量（liàng）計的原（yuán）理，流量信（xìn）號的（de）強（qiáng）度與（yǔ）流（liú）量的平方成正比（bǐ），即流速降低時，渦街信號將以平方關係（xì）急（jí）劇下降（jiàng）。

圖 2 顯示流量由零增大（dà）時，渦街信號的（de）波形記（jì）錄。在（zài）相（xiàng）同（tóng）條件之下，1m/s 流速的氣體產（chǎn）生的漩渦力（lì）僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保（bǎo）證（zhèng）小流量的檢測，必須具備*高的漩（xuán）渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數千（qiān）倍，由此（cǐ）導致數顯壓縮空氣流量計對於蒸汽管道的振動*為敏感，無流量時指示的實際為振動（dòng）幹擾信（xìn）號，這是數顯壓縮空氣流量計在實際應用中*大的問題。數顯壓縮空氣流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩（xuán）渦的頻率 f，由此得到（dào）電壓信號。此電壓信（xìn）號需要（yào）經過放大電路和觸發裝置，將漩渦頻率*終變成儀器所（suǒ）能顯示（shì）的脈衝信（xìn）號。此脈衝（chōng）信號再次送入轉換（huàn）儀表（biǎo）裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍（bèi）數 A 和（hé）觸（chù）發器的門限電（diàn）壓均可以進（jìn）行調整。

如圖（tú） 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲（shēng）信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓（yā） U 通過放大器輸出為 u, 放（fàng）大器的（de）放大倍數為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所（suǒ）示。要使得觸（chù）發器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發器輸（shū）入的有效信（xìn）號 u 遠大於噪聲信號。因此，數顯壓縮空氣流量計正常工作的（de）必要條件是：E > u > V。當數顯壓縮空氣流量計測量低流速、小流量（liàng）流體的時候，依據上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的（de）有效信號，降低機械（xiè）振動產生的幹（gàn）擾信（xìn）號的幅（fú）值。因此，可以修正阻流體的結構（gòu）形狀，使傳感器能更好地接收漩渦（wō）的脈動頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的（de）辦法是在漩渦發（fā）生體的兩端分別安裝 1 對對稱（chēng）的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，並利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由於電路中（zhōng）機械振動產生的幹擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致（zhì）的，並且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生（shēng）的，所以幹擾產生的信號通過差動放大後，機械振動信號因為（wéi）相同（tóng）而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加（jiā）後增強。於是，大大降低了機械振動信號的幹擾。

4、大流量、高（gāo）流速測量（liàng）的限（xiàn）製問題通常認為，管道裏的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計（jì）時，量（liàng）程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻（pín）譜分析時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高於 80m/s 的高（gāo）流速，其中有近一半的出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達 180m/s。一般（bān）的數顯（xiǎn）壓縮空（kōng）氣流量計在（zài）流速過（guò）高時，因劇烈的漏波現象（xiàng），出現難以估（gū）算的誤差（chà），所以也（yě）難於判斷超高流速的（de）大小。
如圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針（zhēn）對這（zhè）一現象，采（cǎi）用（yòng）頻譜分析＋動態（tài）濾波，改（gǎi）善信號波動，消（xiāo）除“漏波”現象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分（fèn）析。時域的信號圖像，是以時間軸（zhóu）為橫軸；頻域的信號圖像（xiàng），是以（yǐ）頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重於信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在（zài）某一（yī）時間點（diǎn）的幅（fú）值等（děng）。信號的頻（pín）域分析（xī），是（shì）采用傅裏葉（yè）變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在（zài）這裏不再贅述（shù）。信號的頻譜圖表明（míng）了信（xìn）號在不同頻率分量成分的大小，比時域圖像提供更具體更豐富的頻域（yù）圖像。在（zài） Pico Scope 示波（bō）器中，可以利用其頻譜分析（xī）的功能來觀察信號（hào）的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要（yào）是獲得（dé）自己想要的信號，並且過濾掉不符合實驗要求的信號。通（tōng）常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種（zhǒng）方式。實際應用中，通常是設計濾（lǜ）波電路對電路進行（háng）濾（lǜ）波。在測試測量中，往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素，通過對數（shù）顯（xiǎn）壓縮（suō）空（kōng）氣流量（liàng）計傳感器原始信（xìn）號直接進行實時頻（pín）譜分析，得出超（chāo）高流速時的（de）流量值（zhí）。
如圖 6 所示。

5、結束語
由於數顯壓縮空氣流量計容易與數字（zì）電子設備配套使用，所是一種比較（jiào）先進、理（lǐ）想的測量儀器（qì）。漩渦升力與流量（liàng）的平方（fāng）呈正比、與流體的密度呈正比。因此，當小流量、低流速或大流量、高流速的時候，對數顯壓縮空氣流量計提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應的（de）探討。為了使數顯壓縮（suō）空氣流量計盡（jìn）可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采（cǎi）用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低（dī）機械振動幹擾（rǎo）信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題，采用頻譜分析和（hé）動態濾（lǜ）波的（de）方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳（chuán）感器信號和放大器（qì）輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的（de）原始信號，下部為（wéi）放（fàng）大器輸出信號；
圖 7（b）為（wéi）展開的視圖。圖 8 為處理後流（liú）量計輸出的傳感器（qì）信號和放大器（qì）輸出信號。圖 8（a）上部為（wéi）傳感器輸出的原始信（xìn）號，下部為放（fàng）大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。

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