1 引 言 
在過程控製和流體計量中，渦街流量計應ying用yong相xiang當dang廣guang泛fan。渦wo街jie流liu量liang計ji本ben質zhi上shang是shi一yi種zhong流liu體ti振zhen動dong型xing流liu量liang計ji
，因yin此ci易yi受shou測ce量liang現xian場chang的de機ji械xie振zhen動dong和he不bu穩wen定ding流liu場chang等deng噪zao聲sheng的de幹gan擾rao，測ce量liang精jing度du往wang往wang得de不bu到dao保bao證zheng。如ru何he從cong含han有you噪zao聲sheng的de信xin號hao中zhong提ti取qu流liu量liang信xin息xi，是shi流liu量liang測ce量liang一yi直zhi沒mei能neng很hen好hao解jie決jue的de難nan題ti。現xian場chang的de噪zao聲sheng各ge種zhong各ge樣yang
，其qi中zhong，脈mai動dong流liu是shi一yi種zhong對dui測ce量liang精jing度du影ying響xiang較jiao大da的de噪zao聲sheng幹gan擾rao。 筆(bi)者(zhe)根(gen)據(ju)國(guo)外(wai)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)，從(cong)理(li)論(lun)上(shang)分(fen)析(xi)了(le)脈(mai)動(dong)流(liu)幹(gan)擾(rao)下(xia)渦(wo)街(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)
，采(cai)用(yong)貝(bei)塞(sai)耳(er)函(han)數(shu)分(fen)解(jie)出(chu)渦(wo)街(jie)流(liu)量(liang)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)和(he)脈(mai)動(dong)幹(gan)擾(rao)頻(pin)率(lv)

，分(fen)析(xi)流(liu)體(ti)脈(mai)動(dong)對(dui)渦(wo)街(jie)流(liu)量(liang)計(ji)測(ce)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)
；說明了在脈動流幹擾下出現的鎖定現象；提出了提高流量計測量精度的方法。
2脈動流對測量的影響
2．1渦街流量計測量原理 
渦街流量計是基於“卡門渦街”原yuan理li的de流liu體ti振zhen動dong型xing流liu量liang計ji，壓ya電dian傳chuan感gan器qi表biao體ti內nei有you一yi個ge漩xuan渦wo發fa生sheng體ti
，當dang流liu體ti流liu過guo漩xuan渦wo發fa生sheng體ti時shi，在zai其qi後hou部bu兩liang側ce交jiao替ti產chan生sheng兩liang列lie漩xuan渦wo，一yi側ce漩xuan渦wo分fen離li的de頻pin率lv與yu流liu體ti的de流liu速su成cheng正zheng比bi。

其中，f為漩渦分離頻率（Hz）；ν為管道內流體的平均流速（m／s）；St為斯特羅哈常數；d為漩渦發生體迎流麵寬度（m）；D為管道內徑（m）。 
漩渦的分離頻率在一定雷諾數範圍內與通過管道的流體流量成線性關係：

因而
，通過測量漩渦分離頻率
，就可知道流體的流速，測出通過管道的流體的流量。
2．2脈動流條件下渦街流量計測量結果
在(zai)流(liu)體(ti)穩(wen)定(ding)流(liu)動(dong)條(tiao)件(jian)下(xia)，壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)為(wei)正(zheng)弦(xian)波(bo)。正(zheng)弦(xian)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)與(yu)流(liu)體(ti)的(de)流(liu)速(su)成(cheng)正(zheng)比(bi)，幅(fu)度(du)與(yu)流(liu)體(ti)的(de)密(mi)度(du)和(he)速(su)度(du)的(de)平(ping)方(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)。

流體穩定流動狀態下
，管道內流體流動平均速度為ν。在脈動流作用下，管道內流體的流速疊加了隨時間周期變化的脈動分量［1］：

式中，Δν為流體脈動時偏離穩態流速的最大幅度，fp為脈動頻率。 因為漩渦分離頻率與管道內流體流動速度成正比，所以脈動流條件下的漩渦分離的瞬時頻率為：

流體脈動條件下，渦街流量計輸出信號疊加了調頻噪聲。從公式（2—10）可以看出，輸出信號的頻譜包含以渦街信號主頻率fνs為中心的較寬的頻帶，fνs左(zuo)右(you)兩(liang)則(ze)對(dui)稱(cheng)分(fen)布(bu)了(le)無(wu)窮(qiong)多(duo)邊(bian)頻(pin)分(fen)量(liang)，邊(bian)頻(pin)分(fen)量(liang)和(he)主(zhu)頻(pin)分(fen)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)間(jian)隔(ge)恰(qia)為(wei)脈(mai)動(dong)頻(pin)率(lv)的(de)整(zheng)數(shu)倍(bei)，它(ta)們(men)的(de)幅(fu)度(du)大(da)小(xiao)由(you)對(dui)應(ying)的(de)各(ge)階(jie)貝(bei)塞(sai)耳(er)函(han)數(shu)所(suo)決(jue)定(ding)。 
脈動係數β也是一個重要的參數，它的大小變化對輸出信號的頻譜結構有著重要的作用。由貝塞耳函數曲線（如圖2—1所示）可知，當β≤1時，隻有J0（β）和J1（β）有比較大的數值
，而J2（β）
，J3（β）等均可以忽略
，因此，輸出信號的頻譜實際上隻有ωνs和wνs±nwp組成。當β＞1時
，隨著β的增大，邊頻分量數目增多。

2．3鎖定現象  脈動頻率與渦街頻率頻帶合拍時可能引起諧振，使渦街信號產生“鎖定（lock－in）”現象
，這時渦街信號頻率完全不隨著流體流速的變化而變化，而是固定於某一頻率，導致渦街流量計不能正常工作［1］。 
流體穩定流動情況下，渦街頻率與流體的流速成線性關係，如圖2—2a所示；在脈動流條件下，渦街發行鎖定現象，渦街頻率與流體流速的關係出現間斷性
，如圖2—2b所示。

由荷蘭TNO學院對渦街流量計在脈動流條件下的特性進行的實驗研究結果表明
，當渦街頻率和脈動頻率的關係滿足公式（2—11）時，渦街發生鎖定現象。

n＝1時，鎖定現象最嚴重。鎖定現象發生時
，渦街流量計測量誤差最大達到60％，因此，在使用渦街流量計進行流量測量時要避免脈動流造成的鎖定現象。
3提高脈動流條件下流量測量精度 
文獻［1］的實驗結果表明，脈動流條件下渦街流量計流量測量誤差隨著脈動頻率和幅值的變化而不同。當渦街頻率遠大於3倍脈動頻率、脈動幅度達到穩態流速的30％時，渦街流量計的讀數誤差低於1％
，可以滿足精度要求；當渦街頻率小於3倍脈動頻率時，脈動幅度僅為穩態流速的10％
，渦街流量計的讀數誤差已達到60％，產生很大的測量誤差。如何減小誤差，提高測量精度已成為應用中關鍵性的問題。該文主要討論渦街頻率小於3倍脈動頻率、脈動幅度達到穩態流速的50％時，渦街流量計的測量問題，這時脈動係數0＜β≤1．5。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)

，由(you)於(yu)脈(mai)動(dong)頻(pin)率(lv)與(yu)渦(wo)街(jie)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)滿(man)足(zu)一(yi)定(ding)關(guan)係(xi)時(shi)產(chan)生(sheng)渦(wo)街(jie)鎖(suo)定(ding)現(xian)象(xiang)，使(shi)流(liu)量(liang)計(ji)不(bu)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，所(suo)以(yi)研(yan)究(jiu)鎖(suo)定(ding)現(xian)象(xiang)的(de)判(pan)定(ding)條(tiao)件(jian)，準(zhun)確(que)判(pan)斷(duan)，及(ji)時(shi)處(chu)理(li)鎖(suo)定(ding)情(qing)況(kuang)也(ye)是(shi)急(ji)待(dai)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)。 
利用FFT計算信號的功率譜［2］
，得de到dao渦wo街jie信xin號hao頻pin率lv，再zai通tong過guo功gong率lv譜pu中zhong相xiang鄰lin邊bian頻pin之zhi間jian的de間jian距ju和he邊bian頻pin的de幅fu值zhi來lai估gu計ji脈mai動dong頻pin率lv和he幅fu值zhi，根gen據ju渦wo街jie信xin號hao頻pin率lv和he脈mai動dong頻pin率lv修xiu正zheng儀yi表biao係xi數shu，從cong而er提ti高gao流liu量liang測ce量liang精jing度du。該gai方fang法fa存cun在zai以yi下xia問wen題ti：（a）當β＞1時，FFT計算誤差很大
，無法得到準確的渦街信號和脈動信號的頻率和幅值。（b）認為fp≈nfνs
，n為整數時，發生鎖定現象。（c）提出利用儀表係數修正提高流量測量精度，但沒有給出儀表係數修正的依據。
筆者采用自適應陷波的方法跟蹤渦街信號的頻率
，利用信號解調的原理計算脈動頻率，同時建立模板來判斷鎖定情況；youyuzaimaidongqingkuangxia，yibiaoxishuyefashengbianhua，yaoxiangdedaozhunquedeliuliangceliangzhi
，bixugenjuceliangdemaidongpinlvhewojiepinlvduiyibiaoxishujinxingxiuzheng。xiamianjieshaojutidebuzhou：
（1）采用自適應陷波法測量渦街信號頻率的測量 利用自適應陷波的方法［3］
，抑yi製zhi脈mai動dong噪zao聲sheng的de幹gan擾rao，提ti取qu渦wo街jie信xin號hao，測ce得de其qi頻pin率lv，並bing跟gen蹤zong渦wo街jie信xin號hao的de變bian化hua。自zi適shi應ying陷xian波bo是shi根gen據ju被bei處chu理li信xin號hao的de情qing況kuang，調tiao整zheng自zi身shen參can數shu，使shi其qi幅fu頻pin特te性xing的de陷xian波bo頻pin率lv收shou斂lian到dao渦wo街jie信xin號hao的de頻pin率lv，使shi渦wo街jie信xin號hao頻pin率lv以yi外wai的de所suo有you噪zao聲sheng通tong過guo，由you濾lv波bo器qi的de參can數shu求qiu出chu渦wo街jie頻pin率lv。然ran後hou，將jiang噪zao聲sheng信xin號hao從cong輸shu入ru到dao
陷波器的信號中減去，得到增強信號。 
（2）利li用yong頻pin譜pu分fen析xi求qiu增zeng強qiang信xin號hao功gong率lv譜pu，將jiang該gai功gong率lv譜pu與yu已yi建jian立li的de模mo板ban作zuo比bi較jiao，判pan斷duan是shi否fou發fa生sheng鎖suo定ding。在zai脈mai動dong流liu條tiao件jian下xia，渦wo街jie信xin號hao疊die加jia了le周zhou期qi變bian化hua的de脈mai動dong幹gan擾rao，這zhe時shi傳chuan感gan器qi輸shu出chu調tiao頻pin的de信xin號hao
，信xin號hao的de頻pin譜pu含han有you豐feng富fu的de諧xie波bo，在zai鎖suo定ding情qing況kuang下xia，輸shu出chu信xin號hao的de頻pin率lv不bu再zai含han有you諧xie波bo分fen量liang，這zhe時shi渦wo街jie頻pin率lv保bao持chi恒heng定ding，頻pin率lv由you脈mai動dong頻pin率lv決jue定ding，可ke見jian，在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，渦wo街jie信xin號hao是shi一yi個ge具ju有you確que定ding頻pin率lv的de窄zhai帶dai信xin號hao［4］，所以可以利用窄帶信號的特點來判定鎖定。  首先，建立窄帶信號的模板，模板的建立以窄帶信號為基礎，根據公式（3—1）計算相應點的模板值［5］。
數

，n0為模板中心值，fs／N為頻率分辨率


；Q定義為中心頻率與信號幅值一半對應的頻帶寬度的比值，通常取經驗值Q＝30。設采樣1024點，變換到頻域後，有用的數據為512點，分6段建立噪聲模板：＃1：0～13；＃2：14～27；＃3：28～56；＃4：57～112；＃5：113～225
；＃6：226～510。模板中心值分別為10
、20、40

、80
、160、320。從＃2模板開始
，模板的起點為中心值除以2的平方根
，模板的終點為中心值乘以2的平方根。 
然(ran)後(hou)，求(qiu)增(zeng)強(qiang)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)譜(pu)
，將(jiang)得(de)到(dao)的(de)功(gong)率(lv)譜(pu)與(yu)模(mo)板(ban)作(zuo)比(bi)較(jiao)，判(pan)斷(duan)是(shi)否(fou)發(fa)生(sheng)鎖(suo)定(ding)。將(jiang)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)得(de)到(dao)的(de)頻(pin)率(lv)點(dian)對(dui)應(ying)值(zhi)與(yu)相(xiang)應(ying)的(de)模(mo)板(ban)作(zuo)比(bi)較(jiao)，比(bi)較(jiao)範(fan)圍(wei)在(zai)頻(pin)率(lv)點(dian)左(zuo)右(you)一(yi)個(ge)單(dan)位(wei)間(jian)隔(ge)內(nei)，用(yong)斜(xie)率(lv)法(fa)進(jin)行(xing)直(zhi)接(jie)比(bi)較(jiao)。計(ji)算(suan)頻(pin)率(lv)點(dian)及(ji)相(xiang)鄰(lin)點(dian)的(de)幅(fu)值(zhi)，得(de)到(dao)斜(xie)率(lv)C0
，然後求出標準模板中心及相鄰點之間的斜率C1，如果C0≈C1，說明功率譜為確定頻率的頻譜，這時渦街發生鎖定。
（3）利用調頻信號的解調原理，求出脈動頻率。
（4）根據渦街頻率和脈動頻率，得到修正的儀表係數

，將渦街頻率與儀表係數相乘

，計算出流量。儀表係數利用實驗確定的關係式得到。 
流體穩定流動時，在不同流量條件下
，得到儀表係數K與渦街信號頻率fνs之間的關係：

利用已知的K
、脈動流的頻率fp
、渦街信號頻率fνp可以得到實際的儀表係數K′。 例：傳感器輸出信號y（t）＝sin（2πfνst＋1．5＊sin（2πfpt））
，其中，fνs＝100Hz
，fp＝70Hz。采樣頻率1024Hz，采樣點數2048點。
利用自適應陷波測出渦街信號頻率fνp＝99．998Hz，解調出脈動流頻率fp＝70．112Hz。如果采用FFT方法，計算出渦街信號頻率為fνp＝30．5Hz，產生極大誤差。
4結論 
在脈動流情況下，渦街流量計將產生較大的測量誤差。文章根據脈動流條件下傳感器輸出信號，從3方麵研究提高流量測量精度的方法：（1）提高渦街頻率的測量精度

；（2）鎖定現象的判斷；（3）利用渦街頻率和脈動頻率修正儀表係數。提出采用自適應陷波的方法提高渦街頻率測量精度，仿真結果表明精度達到0．002％。利用解調方法求解脈動頻率，精度優於0．2％。

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