本章首先從渦街流量計的工作原理入手，分析了渦街流量信號的組成；然后闡述了本脈沖輸出型數字渦街流量計的總體設計方案，尤其是采用了雙通道處理的方式，以及引入了頻率不確定度的概念作為渦街有用信號處理方法的判斷依據；***后簡要介紹了功率譜估計的概念，FFT 的算法及在 DSP 中的實現，并針對 FFT 算法的不足，提出了一種新型的快速插值頻率估計法。

渦街流量計的工作原理：
渦街的產生與渦街現象：
渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中的的“卡門渦街”原理。如圖 2－1，在流動的流體中放置一根與流向垂直的非流線型阻流體（如三角柱，圓柱等），稱之為旋渦發生體，隨著流體沿旋渦發生體流動的速度逐漸加快，雷諾數 逐漸增大，當 達到 40 左右eReR【53】時，由于旋渦發生體后半部分附面層中的流體團受到更大的阻滯，就會在旋渦發生體下游產生兩列旋轉方向相反、平行參差排列的渦列，這就是所謂的“卡門渦街”。


圖 2－1 卡門渦街
其中雷諾數eR 的定義為：

式中 γ ——工作狀態下流體的運動粘度， m2 / s； v ——被測介質來流的平均流速， m/ s； d ——旋渦發生體的特征尺寸， m。 值得注意的是，由于旋渦之間的相互影響，其形成通常是不穩定的。卡門對渦列的穩定性條件進行了研究，于 1911 年得到結論：只有形成相互交替的內旋的兩排旋渦，且當兩旋渦列之間的距離 和同列的兩旋渦之間距離l 之比滿足時，所產生的渦街才是穩定的hh/ l ≈0.281【54】。

渦街的測量：
大量實驗證明：在二維流動狀態下（來流單相、定常；阻流體具有規則截面，且可視為無限長），當滿足渦街穩定的條件時，渦街的單側旋渦脫落頻率（簡稱渦街頻率） f與阻流體兩側的平均流速 之間具有以下關系：






K ——渦街流量計的儀表系數，頻率值 。 3/ m由式（2－5）可看出，對于給定的渦街流量傳感器，其管道直徑 、旋渦發生體特征尺寸 、 及斯特羅哈數 是可知的，因此此儀表系數 也是確定的，只要準確測得旋渦的分離頻率 ，就可以得知被測流體的速度Dd mtS Kf v ，從而到達測量管道內流量的目的。

得注意的是，式（2－4）（2－5）成立的前提條件是要保證流體的雷諾數在使斯特羅哈數恒定的范圍內。由粘性流體力學對渦街現象的研究可知，對于典型的圓柱型的發生體，雷諾數在 3×102～2×105的范圍內斯特羅哈數恒定，其他類型發生體（如梯形柱）大約也在這個量級。顯然，渦街流量計實際測量的量程下限遠遠高于理論值，因此，擴展渦街流量計量程的下限是一個重要的研究課題。

渦街流量信號的組成：
從渦街傳感器引出的電荷信號經電荷放大器和濾波器的簡單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號，這個電壓信號是雜亂的、不規則的，其中包括體現渦街頻率的信號成分即有用信號，也包括各種噪聲或者叫干擾信號。其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場干擾和管道振動干擾。那么渦街信號可以表示為：


式中 ts)(——體現渦街頻率的信號，稱為有用信號； )(1tn ——電磁干擾信號； )(2tn ——流場干擾信號； )(3tn ——管道振動干擾信號。
我們***終目的就是要的從這個復雜的渦街信號里提取出有用信號，那么，我們必須先了解噪聲信號，才能有效的去除噪聲。下面從三點來介紹【5】【55】：

1. 電磁干擾信號：
由于在工業現場電力線及電力設備密集，大量的電磁干擾就會影響到渦街流量計信號處理電路，這種干擾主要分為三類：高頻電磁輻射干擾、交直流電源干擾和低頻電磁干擾。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過空間電磁場作用到信號處理電路的；交直流電源干擾來自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對渦街流量計的***主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來源非常復雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況及放大器的特性等有關，如：金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的，不能抵御頻率 50Hz 以下的電磁場；壓電敏感元件的接地點（表殼）與處理電路的接地點如果存在跨步電流，就會在地線兩端產生 50Hz 的跨步電壓干擾；當電源干擾存在，而處理電路的共模抑制比較低時，就會在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。這種低頻干擾在渦街頻帶之內，所以消除低頻電磁干擾是渦街現場應用的一個重要問題。

2. 流場干擾信號：
工業現場管道內的干擾對旋渦發生體附近的流場分部有很大的影響。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、T 形管、擴張管和收縮管等，這些器件對管道的影響有兩個方面：（1）影響管道內的壓力分部，導致管道的壓力分布不均勻，從而導致管道內流速分部不均勻；（2）會產生流體擾動和雜亂的旋渦流。這種干擾會使渦街信號的信噪比降低，并且破壞管道內流場的均勻性和對稱性。

3. 管道振動干擾信號：
管道一般與風機、水泵或壓縮機等裝置相連接，風機、水泵和壓縮機產生的振動、人為撞擊管道以及局部阻力件產生的隨機噪聲有時十分強烈，會疊加到渦街信號中，對于有用信號的提取帶來了很大的困難。
理想的渦街信號經電荷放大器和低通濾波器后應該是一個規則的正弦波信號，但是，在工況下低流速的渦街信號則基本被噪聲淹沒，下圖 2－2 所示的即實際工況下采集的受擾的渦街信號波形圖，可見，從含有復雜噪聲的信號中提取有用信號還是具有相當難度的。


圖 2－2 受擾的渦街信號圖