過熱蒸汽計量表在不同流速時測量表現及流量限制問題的分析研究
目前工業生產中流量計的種類類別非常多，基于不同的測量原理進行工作，力學原理、熱學原理、電學原理及光學原理等。
過熱蒸汽計量表是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用于工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，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。過熱蒸汽計量表采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器。
過熱蒸汽計量表在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面，有很大的優勢，是目前氣體和低粘度液體的*佳選擇之一。但是過熱蒸汽計量表在某些方面具有技術難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，過熱蒸汽計量表檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、過熱蒸汽計量表的優缺點
過熱蒸汽計量表在諸多應用方面都優于傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，過熱蒸汽計量表的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數長期不變。但是過熱蒸汽計量表在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于過熱蒸汽計量表的原始信號為頻率信號，致使過熱蒸汽計量表實際為一種數字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微弱，*易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于過熱蒸汽計量表傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結構。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、過熱蒸汽計量表工作原理與結構
2.1過熱蒸汽計量表的工作原理在日常生活中經常能看到渦街現象，比如風中的旗幟，由于旗桿產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的破壞力。過熱蒸汽計量表就是參考日常生活中渦街現象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發生體）。當流體流過時，在渦街發生體后兩側產生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比。可用下式表示：F=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發生體的流體的平均速度；d 為渦街發生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數（Strouhal number），數值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通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面積。
2.2過熱蒸汽計量表的結構 過熱蒸汽計量表的基本結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包含渦街發生體、檢測元件等；轉換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了，把微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、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于過熱蒸汽計量表的原理，流量信號的強度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備*高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數千倍，由此導致過熱蒸汽計量表對于蒸汽管道的振動*為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是過熱蒸汽計量表在實際應用中*大的問題。過熱蒸汽計量表的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大電路和觸發裝置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數 A 和觸發器的門限電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發器輸入的有效信號 u 遠大于噪聲信號。因此，過熱蒸汽計量表正常工作的必要條件是：E > u > V。當過熱蒸汽計量表測量低流速、小流量流體的時候，依據上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機械振動產生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結構形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，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辦法是在漩渦發生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機械振動產生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以干擾產生的信號通過差動放大后，機械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是，大大降低了機械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高于 80m/s 的高流速，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。一般的過熱蒸汽計量表在流速過高時，因劇烈的漏波現象，出現難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻譜分析＋動態濾波，改善信號波動，消除“漏波”現象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信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圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。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，通過對過熱蒸汽計量表傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由于過熱蒸汽計量表容易與數字電子設備配套使用，所是一種比較先進、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、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，對過熱蒸汽計量表提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應的探討。為了使過熱蒸汽計量表盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采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機械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題，采用頻譜分析和動態濾波的方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。
過熱蒸汽計量表是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用于工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，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。過熱蒸汽計量表采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器。
過熱蒸汽計量表在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面，有很大的優勢，是目前氣體和低粘度液體的*佳選擇之一。但是過熱蒸汽計量表在某些方面具有技術難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，過熱蒸汽計量表檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、過熱蒸汽計量表的優缺點
過熱蒸汽計量表在諸多應用方面都優于傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，過熱蒸汽計量表的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數長期不變。但是過熱蒸汽計量表在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于過熱蒸汽計量表的原始信號為頻率信號，致使過熱蒸汽計量表實際為一種數字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微弱，*易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于過熱蒸汽計量表傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結構。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、過熱蒸汽計量表工作原理與結構
2.1過熱蒸汽計量表的工作原理在日常生活中經常能看到渦街現象，比如風中的旗幟，由于旗桿產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的破壞力。過熱蒸汽計量表就是參考日常生活中渦街現象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發生體）。當流體流過時，在渦街發生體后兩側產生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比。可用下式表示：F=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發生體的流體的平均速度；d 為渦街發生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數（Strouhal number），數值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通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面積。
2.2過熱蒸汽計量表的結構 過熱蒸汽計量表的基本結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包含渦街發生體、檢測元件等；轉換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了，把微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、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于過熱蒸汽計量表的原理，流量信號的強度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備*高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數千倍，由此導致過熱蒸汽計量表對于蒸汽管道的振動*為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是過熱蒸汽計量表在實際應用中*大的問題。過熱蒸汽計量表的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大電路和觸發裝置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數 A 和觸發器的門限電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發器輸入的有效信號 u 遠大于噪聲信號。因此，過熱蒸汽計量表正常工作的必要條件是：E > u > V。當過熱蒸汽計量表測量低流速、小流量流體的時候，依據上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機械振動產生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結構形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，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辦法是在漩渦發生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機械振動產生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以干擾產生的信號通過差動放大后，機械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是，大大降低了機械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高于 80m/s 的高流速，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。一般的過熱蒸汽計量表在流速過高時，因劇烈的漏波現象，出現難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻譜分析＋動態濾波，改善信號波動，消除“漏波”現象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信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圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。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，通過對過熱蒸汽計量表傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由于過熱蒸汽計量表容易與數字電子設備配套使用，所是一種比較先進、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、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，對過熱蒸汽計量表提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應的探討。為了使過熱蒸汽計量表盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采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機械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題，采用頻譜分析和動態濾波的方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。