摘要(yao):對基于譜(pu)分析的數(shu)字式渦街(jie)流量計 在(zài)應用中響(xiǎng)應速度比(bi)較慢及其(qi)在小流量(liang)或小口徑(jing)時流量計(ji)輸出波動(dòng)兩個問題(ti)進行了深(shēn)入分析。采(cai)用設置門(men)限值的方(fāng)法提高了(le)系統響應(yīng)速度。對頻(pin)譜分析結(jie)果進行多(duo)次爲0判斷(duàn),解決了系(xi)統輸出斷(duàn)續問題。通(tong)過對頻譜(pu)分析結果(guǒ)的限幅,在(zài)平均時去(qu)掉超過标(biao)準差的頻(pín)率值,并去(qu)掉最大值(zhi)和最小值(zhi),對平均結(jié)果進行第(di)二次平均(jun)的方法減(jiǎn)小了系統(tǒng)輸出的波(bo)動,提高了(le)流量計輸(shū)出穩定性(xìng)。
0引言
　　渦街(jiē)流量計具(jù)有無可動(dong)部件維護(hù)方便、壓力(li)損失小和(he)輸出頻率(lü)量等優點(dian),可以測量(liàng)液體、氣體(ti)和蒸汽流(liú)量,應用相(xiàng)當廣泛。目(mù)前，渦街流(liú)量計主要(yào)有兩種處(chu)理方式,即(ji)脈沖整形(xíng)計數方式(shì)和數字信(xin)号處理方(fāng)式。其中,數(shù)字信号處(chù)理方式具(jù)有抗幹擾(rao)能力強、量(liàng)程比較寬(kuan)和精度高(gāo)的優點。基(ji)于譜分析(xi)的渦街流(liú)量計數字(zì)信号處理(li)方法,采用(yòng)DSP(數字信号(hao)處理器)芯(xin)片研制了(le)實時處理(lǐ)系統,通過(guò)标定并應(ying)用于工業(yè)現場,取得(de)了很好的(de)效果。在應(ying)用中，針對(duì)數字式渦(wo)街流量計(ji)響應速度(du)慢以及在(zai)小流量或(huò)者小口徑(jing)時輸出信(xìn)号波動問(wen)題，進行了(le)深人的分(fèn)析,并提出(chū)了有效的(de)解決方案(an)。
1提高信号(hao)響應的速(sù)度
　　采用頻(pin)譜估計方(fang)法分析渦(wo)街信号的(de)頻率是基(ji)于渦街流(liu)量計信号(hao)是一個平(píng)穩随機過(guò)程信号,并(bing)且流量在(zai)短時間内(nei)是穩定的(de)或變化很(hěn)小。由于渦(wo)街流量計(jì)輸出信号(hào)實時性的(de)要求,隻能(néng)對有限長(zhǎng)時間段内(nei)的信号進(jìn).行處理,即(jí)隻能截取(qu)一段數據(ju)進行頻譜(pu)分析。爲了(le)防止數據(ju)統計變異(yì)性對計算(suan)渦街頻率(lü)的影響,必(bi)須對若幹(gàn)次頻譜分(fèn)析的結果(guo)進行平均(jun),這就需要(yao)花費時間(jian)。當平均次(ci)數多時，數(shu)字渦街流(liu)量計的響(xiang)應速度就(jiù)會顯得比(bǐ)較慢。例如(rú),我們的系(xì)統采用時(shí)鍾頻率爲(wei)40MHz的TMS320LF2407ADSP芯片，使(shǐ)用彙編語(yǔ)言編制FFT程(chéng)序計算渦(wo)街信号的(de)頻譜,對50次(cì)計算結果(guǒ)進行平均(jun1)。每次FFT計算(suàn)時間大概(gai)是300ms(包括信(xin)号處理,人(ren)機接口等(děng)對應的其(qi)他軟件執(zhi)行時間),總(zǒng)用時大概(gài)爲15s,這個時(shí)間比較長(zhǎng)。若在這段(duan)時間裏,流(liu)量發生突(tu)然變化，系(xi)統就需要(yào)計算50次FFT,才(cái)能反映流(liú)量的變化(huà),這将造成(chéng)測量誤差(cha),如圖1所示(shi)。
 
　　在實際處(chu)理中,将每(měi)次頻譜分(fèn)析後得到(dào)的渦街頻(pín)率放人一(yī)個循環隊(dui)列中,該隊(duì)列稱爲隊(dui)列Q1,如圖2所(suǒ)示(數字表(biao)示隊列成(cheng)員序号)。其(qi)中,最右邊(biān)的爲隊首(shǒu)Q1,最左邊的(de)爲隊尾Q1。再(zai)按先進先(xian)出的原則(ze)對隊列中(zhōng)最新的若(ruo)幹個值進(jin)行平均,得(de)到渦街輸(shū)出頻率。由(you)于對隊列(liè)中的值不(bu)加判斷而(ér)直接參與(yu)平.均,導緻(zhi)系統響應(ying)速度變慢(màn)。
 
　　爲此,通過(guò)設置門限(xiàn)值的方法(fa)來解決這(zhè)個問題。根(gēn)據隊列Q1中(zhong)保存的過(guo)去的流量(liàng)信息來設(she)置一個頻(pín)率突變門(mén)限frelimit,如果連(lian)續計算出(chu)N個頻率值(zhi)Q1[N]~Q1[1]都超過了(le)fre._limit,則對這N個(gè)頻率值和(he)後面進人(ren)隊列的值(zhí)進行平均(jun),而前面的(de)值Q1[N+1]~Q1[50]不參加(jia)平均,N一般(ban)爲3~5。理論上(shang)，門限fre_limit的選(xuan)擇越小對(dui)微小突變(biàn)就越敏感(gǎn)。但是,由于(yu)FFT計算出來(lai)的頻率會(hui)在--定範圍(wéi)内波動,所(suǒ)以,門限值(zhi)不能選擇(zé)太小。另外(wài)，由于小的(de)突變造成(cheng)的誤差不(bú)會太大,所(suǒ)以也沒必(bì)要将門限(xian)設置得很(hěn)小。
　　一般來(lái)說，渦街流(liú)量計在小(xiǎo)流量時(低(di)頻處)頻率(lǜ)計算結果(guǒ)波動比較(jiao)大,而大流(liu)量時(高頻(pín)處)比較穩(wěn)定。所以,門(men)限值可以(yi)根據渦街(jiē)流量計所(suo)能測的最(zui)低頻率來(lai)設置。由于(yú)流量計的(de)最高可測(ce)頻率是已(yi)知的,而采(cǎi)樣頻率一(yī)般設爲略(lue)大于最高(gāo)頻率的2倍(bei),所以,門限(xian)值可以根(gēn)據式(1)來計(ji)算:
 
　　式中:ƒs爲(wei)采樣頻率(lü);Ɩ爲儀表量(liang)程比;α(0<lαl<1)爲系(xì)數。調整α可(ke)以調整門(men)限值大小(xiǎo),α<0時爲下限(xian);α>0時爲上限(xiàn)。一般可以(yǐ)取±4%~±13%。
　　當流量(liang)突變不超(chao)過門限時(shí),在流量計(jì)調節時間(jian)内累積流(liú)量的最大(dà)相對誤差(chà)爲:
 
　　式中:n(n》1)爲(wèi)平均次數(shu);ƒp爲突變以(yǐ)前的頻率(lü);ƒr爲突變以(yi)後的頻率(lü)。而當流量(liàng)突變超過(guo)fre_limit時,誤差會(huì)非常小。
　　實(shí)際流量變(bian)化是一個(gè)連續變化(huà)的過程。但(dàn)是,隻要流(liú)量對應的(de)信号頻率(lü)的變化率(lü)超過fre_limit/tc,其中(zhōng)tc爲FFT計算的(de)間隔時間(jian)，則系統就(jiu)能快速響(xiǎng)應;而流量(liang)對應的信(xìn)号頻率的(de)變化率小(xiao)于fre_limit/tc.時,其最(zui)大相對誤(wu)差小于式(shi)(2)的計算值(zhí)。
　　圖3爲經過(guo)加速處理(lǐ)後40口徑渦(wo)街流量計(ji)在流量突(tū)變時的響(xiang)應曲線。可(ke)見,在流量(liàng)突變後,系(xì)統經過3次(cì)FFT計算就能(neng)跟上流量(liàng)的變化,有(you)效地提高(gao)了流量計(ji)的響應速(sù)度。
 
2.1消除輸(shū)出信号的(de)斷續現象(xiang)
　　頻譜分析(xi)法是按能(neng)量最大原(yuan)則,即把FFT計(ji)算出來的(de)功率譜中(zhong)能量最大(da)的頻率值(zhí)作爲渦街(jiē)頻率。但是(shi),由于幹擾(rao)的存在,不(bú)得不設置(zhì)一個最小(xiǎo)截止幅值(zhi)(min_amp)來限制小(xiǎo)幅值幹擾(rao)信号,即當(dang)FFT計算幅值(zhi)低于最小(xiao)截止幅值(zhí)時,流量計(ji)輸出爲0,從(cong)而提高抗(kang)幹擾能力(li);而由于信(xìn)号質量、對(duì)采樣信号(hao)加窗FFT非整(zhěng)周期采樣(yàng)等原因,導(dao)緻FFT計算幅(fu)值會有波(bō)動。當流量(liang)在流量計(ji)下限附近(jin)時,會出現(xian)FFT計算幅值(zhi)低于最小(xiao)截止幅值(zhi)的情況,這(zhè)将導緻流(liu)量計輸出(chū)出現斷續(xù)現象。
　　流量(liàng)計斷續問(wèn)題主要是(shì)由于偶爾(ěr)幾次的FFT計(jì)算幅值低(di)于最小截(jie)止幅值所(suo)緻。通過實(shí)驗發現，在(zai)流量計可(kě)測流量範(fàn)圍内-般不(bú)會出現連(lian)續幾次FFT計(ji)算幅值均(jun1)小于最小(xiǎo)截止幅值(zhí)的情況，所(suǒ)以在碰到(dào)FFT計算幅值(zhi)低于最小(xiao)截止幅值(zhi)時不是直(zhí)接輸出0,而(er)是将0放入(ru)隊列Q1。在計(jì)算平均頻(pin)率以前先(xian)對隊列Q1中(zhong)最近的N(N可(kě)取3~4)個值進(jìn)行判斷,如(rú)果N個值，全(quan)部爲0,則流(liú)量計輸出(chū)爲0,否則繼(jì)續做平均(jun1)計算,将平(ping)均值作爲(wèi)流量計的(de)輸出頻率(lü),這樣就可(kě)以解決輸(shū)出斷續的(de)問題。
2.2解決(jue)輸出信号(hào)的波動問(wen)題
　　在小流(liu)量的時候(hou)渦街流量(liang)計信号微(wēi)弱,信噪比(bǐ)降低,信号(hào)質量比較(jiao)差,頻譜分(fèn)析得到的(de)渦街頻率(lǜ)波動比較(jiào)大。特别是(shì)小口徑渦(wō)街流量計(jì)，由于傳感(gan)器安裝等(děng)原因,這種(zhǒng)現象更爲(wèi)明顯。圖4中(zhōng),曲線1爲15口(kou)徑渦街流(liú)量計在下(xià)限頻率附(fù)近,每次FFT計(ji)算得到的(de)渦街頻率(lü);曲線2爲40口(kǒu)徑離下限(xian)頻率比較(jiào)遠時每次(cì)FFT計算後得(dé)到的渦街(jiē)頻率。可見(jiàn)，曲線1波動(dong)較大，數值(zhí)約爲30Hz。此時(shí),即便采取(qu)平均措施(shi),也無法使(shi)輸出頻率(lü)值穩定。
 
　　波(bo)動問題主(zhǔ)要是由于(yu)信号較差(chà),每次FFT計算(suàn)出的頻率(lǜ)值偏差太(tài)大所造成(cheng)的。所以,首(shǒu)先必須保(bǎo)證隊列Q1中(zhōng)的所有頻(pín)率值在可(ke)信範圍内(nèi),即在流量(liang)沒有突變(bian)的情況下(xià),隊列Q1中的(de)頻率值不(bu)能與前次(ci)輸出頻率(lü)差得太多(duo)。爲此，可以(yi)設置一個(gè)頻率允許(xu)跳動範圍(wéi)的限幅值(zhí)。當計算的(de)頻率值超(chāo)出範圍時(shí),不是簡單(dān)地将這個(ge)值去掉,而(er)是用最近(jìn)一次的輸(shū)出頻率加(jia)上限幅值(zhí)來代替這(zhe)個值。這在(zài)某種程度(dù)上能保留(liú)反映流量(liàng)變化趨勢(shì)的部分信(xin)息。通過實(shi)驗發現,可(kě)以根據fre__limit來(lai)設置這個(gè)限幅值。
處(chu)理波動問(wen)題的具體(ti)步驟爲:
①對(dui)隊列Q,的第(dì)N個元素Q1[N]用(yong)式(3)處理,得(dé)到數值ƒin爲(wei):
 
　　式中:ƒin爲處(chù)理後隊列(lie)Q1[N]中的頻率(lǜ)值;f。爲處理(lǐ)前隊列Q1N]中(zhōng)的頻率值(zhi),即原先FFT計(ji)算出來的(de)頻率值;f,爲(wei)流量計最(zuì)近--次輸出(chu)的頻率值(zhí);c爲常數,可(kě)以根據實(shi)際情況選(xuan)取,實驗中(zhong)取1。需要注(zhù)意的是,這(zhe)裏是對Q1[N]處(chù)理,而不是(shì)對隊首元(yuan)素Q1[1]處理。原(yuan)因是,Q1[1]~Q1[N-1]中的(de)信息會反(fan)映流量的(de)突變,如果(guo)對其進行(háng)限幅處理(lǐ),會影響系(xì)統的響應(ying)速度。
②對隊(dui)列Q1中的值(zhí)進行去N-1次(ci)最大、最小(xiǎo)值處理,算(suan)出均值μ,根(gēn)據均值算(suan)出标準差(cha)σ,然後,再利(lì)用标準差(cha)對隊列Q1中(zhōng)的值進行(hang)平均。而超(chāo)出标準差(chà)的數據不(bu)參加平均(jun)。
③經過以上(shàng)處理後得(dé)到的頻率(lü)已經比較(jiao)穩定,但仍(reng)有一定範(fan)圍的波動(dòng)。如果流量(liàng)是穩定的(de)話,流量計(jì)輸出應該(gai)接近穩定(dìng),波動比較(jiào)小。因此,可(ke)以考慮對(dui)計算頻率(lü)值進行第(dì)二次平均(jun1),相當于進(jin)行二次濾(lǜ)波。爲此,建(jiàn)立另一個(ge)隊列Q2。隊列(lie)Q2中的元素(sù)是隊列Q;經(jīng)過上述步(bù)驟處理後(hou)的結果;再(zai)對隊列Q2進(jìn)行平均計(ji)算,得到的(de)均值作爲(wèi)流量計的(de)輸出。注意(yì),這裏對隊(dui)列Q2也要進(jin)行加速處(chu)理,方法與(yu)處理Q1的類(lei)似。圖5所示(shi)爲經過處(chu)理以後渦(wo)街流量計(ji)的輸出，從(cong)圖中可以(yi)看出流量(liang)計輸出已(yi)經比較平(píng)穩。
 
3結束語(yu)
　　根據頻譜(pǔ)分析後的(de)結果,采用(yòng)設置門限(xian)值的方法(fa)對流量計(jì)輸出進行(háng)加速處理(li),并分析了(le)加速處理(lǐ)方法的誤(wù)差,有效地(di)提高了流(liu)量計的響(xiǎng)應速度降(jiàng)低了調節(jie)時間内由(yóu)于響應慢(man)造成的誤(wu)差。
　　對頻譜(pǔ)分析後的(de)結果進行(háng)0值判斷,連(lian)續幾次爲(wei)0,流量計輸(shū)出才爲0,消(xiao)除了流量(liàng)計在可測(ce)流量下限(xian).時輸出斷(duàn)續現象。
　　在(zài)對頻譜分(fèn)析後的結(jié)果平均前(qian)采取了限(xian)幅、去掉超(chao)過标準差(chà)以外的值(zhí)和去掉最(zui)大值最小(xiao)值的操作(zuo),并對平均(jun1)後的結果(guo)進行第二(er)次平均,減(jian)小了流量(liàng)計輸出信(xìn)号的波動(dòng),提高了流(liu)量計輸出(chū)的穩定性(xing)。

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