渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)用于測(cè)量的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)80年代基于不同檢測(cè)方法的渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，目前已躋身通用流量計(jì)之列。

       渦街流量計(jì)在投入使用之前，需要根據(jù)其所測(cè)介質(zhì)是液體或氣體選擇相應(yīng)的標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定，從而確定儀表系數(shù)、測(cè)量范圍、精度以及電路參數(shù)。針對(duì)DN300渦街流量計(jì)在液體介質(zhì)中的使用，我們選擇了3臺(tái)送往開(kāi)封國(guó)家水大流量計(jì)量站進(jìn)行標(biāo)定，確定了其儀表系數(shù)、測(cè)量范圍及電路參數(shù)。

       1 工作原理

       渦街流量計(jì)是根據(jù)“卡門(mén)渦街”原理研制成的一種流體振蕩型流量?jī)x表。在流動(dòng)的液體中插入一個(gè)斷面為非流線(xiàn)型柱狀物體時(shí)，在柱體后部?jī)蓚?cè)會(huì)產(chǎn)生兩列交錯(cuò)排列的旋渦，如圖1所示。旋渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比，可以用公式（1）表示：

        f=St×U/d……公式                （1）

       式中：

       f：  旋渦分離頻率

       St：斯特勞哈爾數(shù)（無(wú)量綱常數(shù)）

       U： 柱體側(cè)面的流速

       d： 柱體的迎流面寬度

       由公式（1）可見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量旋渦的分離頻率便可測(cè)出流體流速，再由流速求出體積流量，進(jìn)而得到公式（2）

       f=Q×K……公式                   （2）

       式中：

       K：儀表系數(shù)m-3。

       Q：體積流量（m3/h）

       渦街流量計(jì)的電路將壓電晶體元件（傳感器）檢測(cè)到的旋渦分離頻率經(jīng)放大、整形處理后。以頻率信號(hào)輸出，或進(jìn)一步變換成與流量成比例的4～20mADC信號(hào)輸出，如圖2所示。

       2 預(yù)期目標(biāo)

       本次是對(duì)DN300渦街流量計(jì)的標(biāo)定，我們制定了以下目標(biāo)

       （1）按量程比7：1、精度1.0級(jí)、重復(fù)性0.3%以下的指標(biāo)標(biāo)定合格；

       （2）取得其在水標(biāo)定時(shí)電路參數(shù)的設(shè)定值；

       （3）在滿(mǎn)足量程比7：1、精度1.0級(jí)的條件下，通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的調(diào)整，尋找其盡可能低的下限流量。

       3 分析及調(diào)整

       3.1 中小口徑渦街流量計(jì)水標(biāo)定

       數(shù)據(jù)如表1所示。

       表1 中小口徑渦街流量計(jì)水標(biāo)定數(shù)據(jù) 

       3.2 電路參數(shù)的設(shè)定

       對(duì)于應(yīng)力式渦街流量計(jì)，介質(zhì)流過(guò)旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度與升力ρU2（ρ為介質(zhì)密度，U為流速）成比例關(guān)系。對(duì)同一種介質(zhì)，測(cè)量的流量范圍的不同，信號(hào)強(qiáng)弱就不同，大口徑的渦街流量計(jì)產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度比小口徑的渦街流量計(jì)產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度大，因此大口徑的渦街流量計(jì)電荷放大器的放大率（K1）可調(diào)得比小口徑的渦街流量計(jì)電荷放大器的放大率小。渦街流量計(jì)優(yōu)質(zhì)次標(biāo)定時(shí)，其儀表系數(shù)和流量范圍都是未知的，流量范圍對(duì)應(yīng)的頻率也是未知的。此時(shí)帶通濾波器通頻帶（K2、K3）應(yīng)設(shè)得較寬，我們?cè)O(shè)定上下限頻率比為30：1左右。由于標(biāo)定裝置的流場(chǎng)穩(wěn)定，干擾少，因此電壓放大器的放大率（GB）以及施密特觸發(fā)器的觸發(fā)門(mén)限（SB）可按常規(guī)設(shè)置。

       結(jié)合表1估計(jì)DN300的渦街流量計(jì)的流量范圍可能在300～1800m3/h。選擇1000m3/h進(jìn)行標(biāo)定，得到系數(shù)K為0.0442。根據(jù)公式f=Q×K計(jì)算出估算的流量上下限對(duì)應(yīng)的頻率上下限。

       在標(biāo)定時(shí)應(yīng)遵循一個(gè)原則：工作頻率范圍盡可能多地落到帶通濾波器設(shè)定的通頻帶內(nèi)。因此根據(jù)計(jì)算得到的頻率上下限，重新設(shè)置濾波器通頻帶。由于濾波器通頻帶的設(shè)定是通過(guò)調(diào)整K2、K3每一位開(kāi)關(guān)決定一個(gè)濾波電容是否并聯(lián)到電路中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)于K2、K3的開(kāi)關(guān)組合非常多，調(diào)整要逐步摸索，使濾波器截止頻率接近計(jì)算得到的上下限頻率。標(biāo)定時(shí)當(dāng)流量上升到某一個(gè)值時(shí)，渦街流量計(jì)的輸出頻率突然大幅度下降，這就是濾波器上限頻率太小造成的。此時(shí)調(diào)整K3，選擇較小的電容并聯(lián)值，提高上限截止頻率。受設(shè)備能力的限制，流量上限只能到1500m3/h，因此按300～1500m3/h流量范圍進(jìn)行標(biāo)定。在300～1500m3/h流量范圍內(nèi)取5點(diǎn)標(biāo)定[2]，得到表2所示的數(shù)據(jù)：

       從表2中可以看出，基本誤差和重復(fù)性都在要求的范圍之內(nèi)，但量程比不到7：1。這時(shí)通過(guò)降低下限流量的方法來(lái)增大量程比，將流量范圍調(diào)整為220～1500m3/h。由于流量范圍的調(diào)整使輸出頻率大小及信號(hào)強(qiáng)弱發(fā)生改變，此時(shí)要對(duì)電路中帶通濾波器的通頻帶重新設(shè)置。對(duì)于優(yōu)質(zhì)次標(biāo)定的渦街流量計(jì)，這是需要反復(fù)進(jìn)行的工作。在滿(mǎn)足所產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度的要求以及***低雷諾數(shù)（20000）限制時(shí)，低的流量下限是追求的目標(biāo)之一。而DN300渦街流量計(jì)到流量下限220m3/h時(shí)產(chǎn)生的頻率為3Hz左右，非常接近壓電晶體熱效應(yīng)產(chǎn)生的頻率。因此在調(diào)低帶通濾波器下限截止頻率時(shí)，要盡可能將壓電晶體的固有頻率作為干擾信號(hào)予以切除。也就是說(shuō)，濾波器下限截止頻率不能低于壓電晶體熱效應(yīng)產(chǎn)生的頻率，這也是渦街流量計(jì)的流量下限不能做得太低的原因之一。

       根據(jù)以上分析和調(diào)整，得到表3所示的數(shù)據(jù)：

       3.3 結(jié)果分析

       此次3臺(tái)DN300渦街流量計(jì)的水標(biāo)定實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，取得了國(guó)家水大流量計(jì)量站的檢定證書(shū)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以看出兩點(diǎn)：

       （1）從儀表系數(shù)值的走勢(shì)來(lái)看，上限流量的值提高到1800m3/h，儀表基本誤差將接近1.0%，也能達(dá)到精度1.0級(jí)的要求；

       （2）儀表的重復(fù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的0.33%的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于儀表的應(yīng)用有利。

       在實(shí)際應(yīng)用中，由于渦街流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)因液體或氣體流速范圍及密度的不同，使得旋渦的分離頻率范圍及分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同，電路參數(shù)會(huì)有較大差別。因此，同一電路參數(shù)是不能用于測(cè)量不同介質(zhì)的，介質(zhì)改變，電路參數(shù)也應(yīng)隨之改變。