為研究渦街流量計實際流量信號的能量分布，提出了一種基于功率譜幅值的渦街流量計信號能量表征方法。在此基礎上，定義了渦街信號的功率譜能量比，定量討論了渦街流量計整個輸出信號中實際流量信號的能量變化規律。結果表明，渦街信號的功率譜能量比更分散；當被測介質為水和空氣時，其取值范圍分別為38%~96%和10%~65%。功率譜能量比值越大，渦旋信號越強，越容易被檢測到。因此，功率譜能量比可以作為渦街流量計檢測元件位置優化選擇的參數之一。
渦街流量計作為一種測量精度高、壓力損失小的新型流量計，已**應用于液體、氣體和蒸汽的流量測量[1]。由于它具有結構簡單、無運動部件、量程比寬、對被測介質物理性質變化不敏感等特點，近年來渦街流量計的快速發展速度和**的應用范圍是許多流量無法企及的。米。但也需要注意的是，渦街流量計雖然經歷了30多年的發展，但仍是一種發展中的儀器。理論基礎和實踐經驗有待深化和積累，各種檢測技術的應用有待提高。 2]。因此，研究渦街流量計并不斷提高其測量性能具有重要的現實意義。
目前對渦街流量計的研究主要集中在流量信號的準確提取和渦街發生器的優化方面。一方面，渦街流量計本質上是一種流體振動式流量計。因此，在工業領域使用時，管道和各種設備的振動造成的干擾不可避免地會疊加在測量信號上，從而降低其測量精度。 .為了準確獲取渦街流量計信號，必須有效去除噪聲成分，因此采用各種信號處理方法對渦街流量計信號進行去噪已成為研究熱點之一[3-5]。另一方面，渦街流量計的流量特性（如儀表系數、線性度、重復性、量程）和阻力特性都與渦街發生器有關。渦街發生器的形狀與幾何參數密切相關，渦街發生器被視為渦街流量計的核心部件。目前，對于發電體的設計，還沒有嚴謹的理論或系統的計算方法，大多是通過實驗來確定發電體的形狀和參數。因此，渦街發生器的形狀和幾何參數的優化設計成為渦街流量計研究的又一熱點[6, 7]。此外，許多研究人員在使用渦街流量計直接測量質量流量方面也進行了有意義的探索[8-11]。
無論使用什么方法或組件來檢測渦街流量計中的渦流，它們的研究都取決于對渦街流量計信號性質的研究。如前所述，由于各種擾動的疊加，渦街流量計的輸出信號可視為復合信號，實際流量信號只是其中的一個分量。因此，有必要正確表征和研究渦街流量計中實際流量信號的規律。 ，可以加深人們對渦街現象的認識，有助于渦街流量計的優化設計。
基于上述目的，本文對以水和空氣為被測介質的實驗中測得的渦街流量計信號進行功率譜分析。不同于一般的以獲取信號頻率為目的的頻譜分析方法，作者關注功率譜的幅值，用功率譜的幅值來定義渦街流量計信號的能量，即渦流量計信號。能量的功率譜表示；同時，提出了一個新的參數——渦流信號功率譜能量比，來討論實際流動信號（即對應于功率譜的主峰分量）在整個輸出信號中的能量。渦街流量計。隨著被測介質和流量的變化，用來優化檢測元件在渦街流量計中的位置。
2 功率譜分析及其幅度
信號的功率譜密度反映了信號功率隨頻率在頻域中的分布。時域中的渦旋信號在渦旋頻率處具有能量集中，因此通過頻譜分析的方法將時域中的信號轉換為頻域，可以很容易地提取出渦旋頻率值。
對渦旋信號進行A/D采樣，得到離散時間序列x(n)，功率譜Px(ejω) 定義為：
式中：rx(m)為信號x(n)的自相關函數，定義為：
式中：E為均值運算，m為相關延遲量。渦旋信號功率譜的時間平均值為：
其中： X(ejω) 是 x(n) 在 n=-M~M 處的離散傅立葉變換。等式（3）是求均值和極限的必要條件，以保證等價于等式（1）的定義。但在實際應用中，不可能得到均值和極限，只能通過各種算法來估計信號功率譜。
本文采用直接法，通過傅里葉變換和快速傅里葉算法（FFT）實現。將隨機信號x(n)的N個點的觀測數據xN(n)視為能量有限的信號，直接對xN(n)進行傅里葉變換得到xN(ejω)，ω取為單位圓上等間距。值，得到 xN(k)，它由離散傅里葉變換 (DFT) 定義：
那么信號的有功功率譜的估計為：
得到功率譜*大值的頻率就是渦街的頻率。需要指出的是，功率譜分析法的主要優點是物理意義明確，功率譜的大小與信號的能量有關。
三、實驗設備及條件

實驗在管內流動介質分別為水和空氣的條件下進行。它由直管段和后直管段六部分組成。測量管內徑D=50mm，渦流發生器截面為梯形，上游面寬度d=14mm。渦街信號通過管壁差壓法得到[12]。管壁壓差的壓力孔選擇在發電體后面的三對不同位置1、2、3位于發電體上游面下游x=0.2D，x=0.5D，和x=1.0D，分別如圖1所示。前后直管段長度分別為80D和70D，保證測量管內渦街的順利產生和脫落，消除影響流體湍流和其他因素對測量的影響。空氣和水實驗使用鐘形標準流量裝置和電動電磁流量計作為標準流量計來顯示被測流量，其精度為0.5級。
4. 實驗結果與討論
4.1 渦街流量計信號的功率譜
實驗在水流量3.30~24.00m3/h、空氣流量30.00~150.00m3/h的范圍內進行。實驗中，渦街流量計信號由差壓傳感器檢測，放大后由數字示波器采樣保存，然后輸入計算機進行FFT計算。在水實驗中，示波器的采樣頻率設置為1000Hz，每組數據采集2500個點。由于FFT計算中使用的點數必須是2的整數倍，所以2500個點中只使用了2048個點，頻率分辨率為0.49Hz；空氣實驗中，采樣頻率為2500Hz，每組有5000個點，所以頻率分辨率為0.61Hz。
圖2和圖3分別為水流量為10.00m3/h（對應的渦流頻率約為25.6Hz）和空氣流量為103.00m3/h（對應的渦流頻率約為263.7Hz）時的不同值.渦街流量計信號及其功率譜在壓力位置測得，其他流量情況類似。從各子圖信號上部的時域可以看出，渦街流量計信號受壓力采樣位置影響很大，無論是水量還是空氣量測：壓力采樣口離上游越遠渦流發生體表面信號幅度變弱，規律性變差，但x=0.2D和x=0.5D這兩個位置相差不大，x=1.0時信號質量急劇惡化D.另一方面，從每個信號的頻域可以看出，無論是測量水還是空氣，每個信號的功率譜中的主峰（對應渦街頻率）都非常高，并且無論壓力在哪里。尖銳，其他雜散峰值信號及其功率譜都很微弱，說明采集到的信號信噪比很高，基本沒有外來干擾成分。它是一個真正的渦街流量計信號，其中的信息能夠真實地反映管道。渦街的實際運動。
4.2 渦旋信號的功率譜能量比率
根據以上功率譜計算結果，本文定義了一個新的渦街流量計信號特征參數——功率譜能量比R：
(6)
其中 fV 表示渦旋頻率； Δf代表頻率分辨率； P(·) 是相應頻率處功率譜的幅度。在這個定義中，分母ΣP是信號中所有頻率分量的功率譜幅度之和，代表信號的總能量；而分子多項式代表的是實際流量信號的能量，所以需要加上相應的渦街頻率幅值。以渦旋頻率為中心的具有正負頻率分辨率的兩個功率譜幅度是為了減少或消除頻率分辨率帶來的誤差。
通常一個信號的能量可以用信號的時域幅值來定義，但是由信號的時域幅值定義的信號能量只能代表信號的總能量。如圖 2 和圖 3 所示，時域中的非流動信號分量很難去除，因此無法獲得實際流動信號的能量。經過FFT計算，信號在頻域中根據頻率的不同被離散成不同的譜線，可以很容易地將實際流動對應的渦旋頻率與其他頻率的分量區分開來。渦旋頻率的功率譜幅值用于表示實際流量信號的能量，其他干擾分量不會混入實際流量信號中。因此，以R為參數，可以在整個渦街流量計的輸出信號中如實反映實際流量信號。
圖4和圖5分別顯示了實驗介質為水和空氣時渦旋信號功率譜能量比與流速的關系。一方面，總體而言，無論被測介質是水還是空氣，在相同流量下，取壓位置越靠近發電體上游面，其功率譜能量比越大。渦街信號；比值與流量之間沒有明顯確定的函數關系，呈現出一定的隨機性。另一方面，通過對比圖 4 和圖 5 可以看出，測量水和空氣時功率譜能量比與流量的分布有較大差異。測水時，x=0.2D和x=0.5D位置的功率譜能量比比較接近，數值均在70%以上，而x=1.0位置D處的功率譜能量比要小很多，基本在50%以下；而在測量空氣時，x=0.5D處的功率譜能量比在x=0.2D和x=1.0D之間比較均勻。
從以上結果可以發現，在相同流量下，渦街信號的功率譜能量大于發生器附近的功率譜能量，即流量信號與整個渦街流量計輸出信號的比值.信號越大越容易檢測，因此渦街流量計的檢測元件應放置在渦街發生器附近。
基于渦街流量計信號功率譜的計算結果，本文提出了一種渦街流量計信號能量的功率譜表示方法，即用渦流頻率對應的功率譜幅值來表示實際流量信號。能量，定義了一個新的參數——渦街信號的功率譜能量比，定量討論了整個渦街流量計輸出信號中實際流量信號的能量隨被測介質和流量的變化規律。實驗結果分析表明，功率譜能量比與流量之間存在一定的隨機性，當流量恒定時，渦旋信號的功率譜能量比在發生體附近較大，說明實際流量信號值比較大，這里比較容易測量渦流信號。因此，渦街信號的功率譜能量比可以作為優化渦街流量計檢測元件位置的依據之一，檢測元件應放置在功率譜能量較大的地方。