摘要:對(dui)基于譜(pu)分析的(de)數字式(shi)渦街流(liu)量計 在(zai)應用中(zhong)響應速(su)度比較(jiao)慢及其(qi)在小流(liu)量或小(xiao)口徑時(shi)流量計(ji)輸出波(bo)動兩個(ge)問題進(jin)行了深(shen)入分析(xi)。采用設(she)置門限(xian)值的方(fang)法提高(gao)了系統(tong)響應速(su)度。對頻(pin)譜分析(xi)結果進(jin)行多次(ci)爲0判斷(duan),解決了(le)系統輸(shu)出斷續(xu)問題。通(tong)過對頻(pin)譜分析(xi)結果的(de)限幅,在(zai)平均時(shi)去掉超(chao)過标準(zhun)差的頻(pin)率值,并(bing)去掉最(zui)大值和(he)最小值(zhi),對平均(jun)結果進(jin)行第二(er)次平均(jun)的方法(fa)減小了(le)系統輸(shu)出的波(bo)動,提高(gao)了流量(liang)計輸出(chu)穩定性(xing)。
0引言
　　渦(wo)街流量(liang)計具有(you)無可動(dong)部件維(wei)護方便(bian)、壓力損(sun)失小和(he)輸出頻(pin)率量等(deng)優點,可(ke)以測量(liang)液體、氣(qi)體和蒸(zheng)汽流量(liang),應用相(xiang)當廣泛(fan)。目前，渦(wo)街流量(liang)計主要(yao)有兩種(zhong)處理方(fang)式,即脈(mo)沖整形(xing)計數方(fang)式和數(shu)字信号(hao)處理方(fang)式。其中(zhong),數字信(xin)号處理(li)方式具(ju)有抗幹(gan)擾能力(li)強、量程(cheng)比較寬(kuan)和精度(du)高的優(you)點。基于(yu)譜分析(xi)的渦街(jie)流量計(ji)數字信(xin)号處理(li)方法,采(cai)用DSP(數字(zi)信号處(chu)理器)芯(xin)片研制(zhi)了實時(shi)處理系(xi)統,通過(guo)标定并(bing)應用于(yu)工業現(xian)場,取得(de)了很好(hao)的效果(guo)。在應用(yong)中，針對(dui)數字式(shi)渦街流(liu)量計響(xiang)應速度(du)慢以及(ji)在小流(liu)量或者(zhe)小口徑(jing)時輸出(chu)信号波(bo)動問題(ti)，進行了(le)深人的(de)分析,并(bing)提出了(le)有效的(de)解決方(fang)案。
1提高(gao)信号響(xiang)應的速(su)度
　　采用(yong)頻譜估(gu)計方法(fa)分析渦(wo)街信号(hao)的頻率(lü)是基于(yu)渦街流(liu)量計信(xin)号是一(yi)個平穩(wen)随機過(guo)程信号(hao),并且流(liu)量在短(duan)時間内(nei)是穩定(ding)的或變(bian)化很小(xiao)。由于渦(wo)街流量(liang)計輸出(chu)信号實(shi)時性的(de)要求,隻(zhi)能對有(you)限長時(shi)間段内(nei)的信号(hao)進.行處(chu)理,即隻(zhi)能截取(qu)一段數(shu)據進行(hang)頻譜分(fen)析。爲了(le)防止數(shu)據統計(ji)變異性(xing)對計算(suan)渦街頻(pin)率的影(ying)響,必須(xu)對若幹(gan)次頻譜(pu)分析的(de)結果進(jin)行平均(jun),這就需(xu)要花費(fei)時間。當(dang)平均次(ci)數多時(shi)，數字渦(wo)街流量(liang)計的響(xiang)應速度(du)就會顯(xian)得比較(jiao)慢。例如(ru),我們的(de)系統采(cai)用時鍾(zhong)頻率爲(wei)40MHz的TMS320LF2407ADSP芯片(pian)，使用彙(hui)編語言(yan)編制FFT程(cheng)序計算(suan)渦街信(xin)号的頻(pin)譜,對50次(ci)計算結(jie)果進行(hang)平均。每(mei)次FFT計算(suan)時間大(da)概是300ms(包(bao)括信号(hao)處理,人(ren)機接口(kou)等對應(ying)的其他(ta)軟件執(zhi)行時間(jian)),總用時(shi)大概爲(wei)15s,這個時(shi)間比較(jiao)長。若在(zai)這段時(shi)間裏,流(liu)量發生(sheng)突然變(bian)化，系統(tong)就需要(yao)計算50次(ci)FFT,才能反(fan)映流量(liang)的變化(hua),這将造(zao)成測量(liang)誤差,如(ru)圖1所示(shi)。
 
　　在實際(ji)處理中(zhong),将每次(ci)頻譜分(fen)析後得(de)到的渦(wo)街頻率(lü)放人一(yi)個循環(huan)隊列中(zhong),該隊列(lie)稱爲隊(dui)列Q1,如圖(tu)2所示(數(shu)字表示(shi)隊列成(cheng)員序号(hao))。其中,最(zui)右邊的(de)爲隊首(shou)Q1,最左邊(bian)的爲隊(dui)尾Q1。再按(an)先進先(xian)出的原(yuan)則對隊(dui)列中最(zui)新的若(ruo)幹個值(zhi)進行平(ping)均,得到(dao)渦街輸(shu)出頻率(lü)。由于對(dui)隊列中(zhong)的值不(bu)加判斷(duan)而直接(jie)參與平(ping).均,導緻(zhi)系統響(xiang)應速度(du)變慢。
 
　　爲(wei)此,通過(guo)設置門(men)限值的(de)方法來(lai)解決這(zhe)個問題(ti)。根據隊(dui)列Q1中保(bao)存的過(guo)去的流(liu)量信息(xi)來設置(zhi)一個頻(pin)率突變(bian)門限frelimit,如(ru)果連續(xu)計算出(chu)N個頻率(lü)值Q1[N]~Q1[1]都超(chao)過了fre._limit,則(ze)對這N個(ge)頻率值(zhi)和後面(mian)進人隊(dui)列的值(zhi)進行平(ping)均,而前(qian)面的值(zhi)Q1[N+1]~Q1[50]不參加(jia)平均,N一(yi)般爲3~5。理(li)論上，門(men)限fre_limit的選(xuan)擇越小(xiao)對微小(xiao)突變就(jiu)越敏感(gan)。但是,由(you)于FFT計算(suan)出來的(de)頻率會(hui)在--定範(fan)圍内波(bo)動,所以(yi),門限值(zhi)不能選(xuan)擇太小(xiao)。另外，由(you)于小的(de)突變造(zao)成的誤(wu)差不會(hui)太大,所(suo)以也沒(mei)必要将(jiang)門限設(she)置得很(hen)小。
　　一般(ban)來說，渦(wo)街流量(liang)計在小(xiao)流量時(shi)(低頻處(chu))頻率計(ji)算結果(guo)波動比(bi)較大,而(er)大流量(liang)時(高頻(pin)處)比較(jiao)穩定。所(suo)以,門限(xian)值可以(yi)根據渦(wo)街流量(liang)計所能(neng)測的最(zui)低頻率(lü)來設置(zhi)。由于流(liu)量計的(de)最高可(ke)測頻率(lü)是已知(zhi)的,而采(cai)樣頻率(lü)一般設(she)爲略大(da)于最高(gao)頻率的(de)2倍,所以(yi),門限值(zhi)可以根(gen)據式(1)來(lai)計算:
 
　　式(shi)中:ƒs爲采(cai)樣頻率(lü);Ɩ爲儀表(biao)量程比(bi);α(0<lαl<1)爲系數(shu)。調整α可(ke)以調整(zheng)門限值(zhi)大小,α<0時(shi)爲下限(xian);α>0時爲上(shang)限。一般(ban)可以取(qu)±4%~±13%。
　　當流量(liang)突變不(bu)超過門(men)限時,在(zai)流量計(ji)調節時(shi)間内累(lei)積流量(liang)的最大(da)相對誤(wu)差爲:
 
　　式(shi)中:n(n》1)爲平(ping)均次數(shu);ƒp爲突變(bian)以前的(de)頻率;ƒr爲(wei)突變以(yi)後的頻(pin)率。而當(dang)流量突(tu)變超過(guo)fre_limit時,誤差(cha)會非常(chang)小。
　　實際(ji)流量變(bian)化是一(yi)個連續(xu)變化的(de)過程。但(dan)是,隻要(yao)流量對(dui)應的信(xin)号頻率(lü)的變化(hua)率超過(guo)fre_limit/tc,其中tc爲(wei)FFT計算的(de)間隔時(shi)間，則系(xi)統就能(neng)快速響(xiang)應;而流(liu)量對應(ying)的信号(hao)頻率的(de)變化率(lü)小于fre_limit/tc.時(shi),其最大(da)相對誤(wu)差小于(yu)式(2)的計(ji)算值。
　　圖(tu)3爲經過(guo)加速處(chu)理後40口(kou)徑渦街(jie)流量計(ji)在流量(liang)突變時(shi)的響應(ying)曲線。可(ke)見,在流(liu)量突變(bian)後,系統(tong)經過3次(ci)FFT計算就(jiu)能跟上(shang)流量的(de)變化,有(you)效地提(ti)高了流(liu)量計的(de)響應速(su)度。
 
2.1消除(chu)輸出信(xin)号的斷(duan)續現象(xiang)
　　頻譜分(fen)析法是(shi)按能量(liang)最大原(yuan)則,即把(ba)FFT計算出(chu)來的功(gong)率譜中(zhong)能量最(zui)大的頻(pin)率值作(zuo)爲渦街(jie)頻率。但(dan)是,由于(yu)幹擾的(de)存在,不(bu)得不設(she)置一個(ge)最小截(jie)止幅值(zhi)(min_amp)來限制(zhi)小幅值(zhi)幹擾信(xin)号,即當(dang)FFT計算幅(fu)值低于(yu)最小截(jie)止幅值(zhi)時,流量(liang)計輸出(chu)爲0,從而(er)提高抗(kang)幹擾能(neng)力;而由(you)于信号(hao)質量、對(dui)采樣信(xin)号加窗(chuang)FFT非整周(zhou)期采樣(yang)等原因(yin),導緻FFT計(ji)算幅值(zhi)會有波(bo)動。當流(liu)量在流(liu)量計下(xia)限附近(jin)時,會出(chu)現FFT計算(suan)幅值低(di)于最小(xiao)截止幅(fu)值的情(qing)況,這将(jiang)導緻流(liu)量計輸(shu)出出現(xian)斷續現(xian)象。
　　流量(liang)計斷續(xu)問題主(zhu)要是由(you)于偶爾(er)幾次的(de)FFT計算幅(fu)值低于(yu)最小截(jie)止幅值(zhi)所緻。通(tong)過實驗(yan)發現，在(zai)流量計(ji)可測流(liu)量範圍(wei)内-般不(bu)會出現(xian)連續幾(ji)次FFT計算(suan)幅值均(jun)小于最(zui)小截止(zhi)幅值的(de)情況，所(suo)以在碰(peng)到FFT計算(suan)幅值低(di)于最小(xiao)截止幅(fu)值時不(bu)是直接(jie)輸出0,而(er)是将0放(fang)入隊列(lie)Q1。在計算(suan)平均頻(pin)率以前(qian)先對隊(dui)列Q1中最(zui)近的N(N可(ke)取3~4)個值(zhi)進行判(pan)斷,如果(guo)N個值，全(quan)部爲0,則(ze)流量計(ji)輸出爲(wei)0,否則繼(ji)續做平(ping)均計算(suan),将平均(jun)值作爲(wei)流量計(ji)的輸出(chu)頻率,這(zhe)樣就可(ke)以解決(jue)輸出斷(duan)續的問(wen)題。
2.2解決(jue)輸出信(xin)号的波(bo)動問題(ti)
　　在小流(liu)量的時(shi)候渦街(jie)流量計(ji)信号微(wei)弱,信噪(zao)比降低(di),信号質(zhi)量比較(jiao)差,頻譜(pu)分析得(de)到的渦(wo)街頻率(lü)波動比(bi)較大。特(te)别是小(xiao)口徑渦(wo)街流量(liang)計，由于(yu)傳感器(qi)安裝等(deng)原因,這(zhe)種現象(xiang)更爲明(ming)顯。圖4中(zhong),曲線1爲(wei)15口徑渦(wo)街流量(liang)計在下(xia)限頻率(lü)附近,每(mei)次FFT計算(suan)得到的(de)渦街頻(pin)率;曲線(xian)2爲40口徑(jing)離下限(xian)頻率比(bi)較遠時(shi)每次FFT計(ji)算後得(de)到的渦(wo)街頻率(lü)。可見，曲(qu)線1波動(dong)較大，數(shu)值約爲(wei)30Hz。此時,即(ji)便采取(qu)平均措(cuo)施,也無(wu)法使輸(shu)出頻率(lü)值穩定(ding)。
 
　　波動問(wen)題主要(yao)是由于(yu)信号較(jiao)差,每次(ci)FFT計算出(chu)的頻率(lü)值偏差(cha)太大所(suo)造成的(de)。所以,首(shou)先必須(xu)保證隊(dui)列Q1中的(de)所有頻(pin)率值在(zai)可信範(fan)圍内,即(ji)在流量(liang)沒有突(tu)變的情(qing)況下,隊(dui)列Q1中的(de)頻率值(zhi)不能與(yu)前次輸(shu)出頻率(lü)差得太(tai)多。爲此(ci)，可以設(she)置一個(ge)頻率允(yun)許跳動(dong)範圍的(de)限幅值(zhi)。當計算(suan)的頻率(lü)值超出(chu)範圍時(shi),不是簡(jian)單地将(jiang)這個值(zhi)去掉,而(er)是用最(zui)近一次(ci)的輸出(chu)頻率加(jia)上限幅(fu)值來代(dai)替這個(ge)值。這在(zai)某種程(cheng)度上能(neng)保留反(fan)映流量(liang)變化趨(qu)勢的部(bu)分信息(xi)。通過實(shi)驗發現(xian),可以根(gen)據fre__limit來設(she)置這個(ge)限幅值(zhi)。
處理波(bo)動問題(ti)的具體(ti)步驟爲(wei):
①對隊列(lie)Q,的第N個(ge)元素Q1[N]用(yong)式(3)處理(li),得到數(shu)值ƒin爲:
 
　　式(shi)中:ƒin爲處(chu)理後隊(dui)列Q1[N]中的(de)頻率值(zhi);f。爲處理(li)前隊列(lie)Q1N]中的頻(pin)率值,即(ji)原先FFT計(ji)算出來(lai)的頻率(lü)值;f,爲流(liu)量計最(zui)近--次輸(shu)出的頻(pin)率值;c爲(wei)常數,可(ke)以根據(ju)實際情(qing)況選取(qu),實驗中(zhong)取1。需要(yao)注意的(de)是,這裏(li)是對Q1[N]處(chu)理,而不(bu)是對隊(dui)首元素(su)Q1[1]處理。原(yuan)因是,Q1[1]~Q1[N-1]中(zhong)的信息(xi)會反映(ying)流量的(de)突變,如(ru)果對其(qi)進行限(xian)幅處理(li),會影響(xiang)系統的(de)響應速(su)度。
②對隊(dui)列Q1中的(de)值進行(hang)去N-1次最(zui)大、最小(xiao)值處理(li),算出均(jun)值μ,根據(ju)均值算(suan)出标準(zhun)差σ,然後(hou),再利用(yong)标準差(cha)對隊列(lie)Q1中的值(zhi)進行平(ping)均。而超(chao)出标準(zhun)差的數(shu)據不參(can)加平均(jun)。
③經過以(yi)上處理(li)後得到(dao)的頻率(lü)已經比(bi)較穩定(ding),但仍有(you)一定範(fan)圍的波(bo)動。如果(guo)流量是(shi)穩定的(de)話,流量(liang)計輸出(chu)應該接(jie)近穩定(ding),波動比(bi)較小。因(yin)此,可以(yi)考慮對(dui)計算頻(pin)率值進(jin)行第二(er)次平均(jun),相當于(yu)進行二(er)次濾波(bo)。爲此,建(jian)立另一(yi)個隊列(lie)Q2。隊列Q2中(zhong)的元素(su)是隊列(lie)Q;經過上(shang)述步驟(zhou)處理後(hou)的結果(guo);再對隊(dui)列Q2進行(hang)平均計(ji)算,得到(dao)的均值(zhi)作爲流(liu)量計的(de)輸出。注(zhu)意,這裏(li)對隊列(lie)Q2也要進(jin)行加速(su)處理,方(fang)法與處(chu)理Q1的類(lei)似。圖5所(suo)示爲經(jing)過處理(li)以後渦(wo)街流量(liang)計的輸(shu)出，從圖(tu)中可以(yi)看出流(liu)量計輸(shu)出已經(jing)比較平(ping)穩。
 
3結束(shu)語
　　根據(ju)頻譜分(fen)析後的(de)結果,采(cai)用設置(zhi)門限值(zhi)的方法(fa)對流量(liang)計輸出(chu)進行加(jia)速處理(li),并分析(xi)了加速(su)處理方(fang)法的誤(wu)差,有效(xiao)地提高(gao)了流量(liang)計的響(xiang)應速度(du)降低了(le)調節時(shi)間内由(you)于響應(ying)慢造成(cheng)的誤差(cha)。
　　對頻譜(pu)分析後(hou)的結果(guo)進行0值(zhi)判斷,連(lian)續幾次(ci)爲0,流量(liang)計輸出(chu)才爲0,消(xiao)除了流(liu)量計在(zai)可測流(liu)量下限(xian).時輸出(chu)斷續現(xian)象。
　　在對(dui)頻譜分(fen)析後的(de)結果平(ping)均前采(cai)取了限(xian)幅、去掉(diao)超過标(biao)準差以(yi)外的值(zhi)和去掉(diao)最大值(zhi)最小值(zhi)的操作(zuo),并對平(ping)均後的(de)結果進(jin)行第二(er)次平均(jun),減小了(le)流量計(ji)輸出信(xin)号的波(bo)動,提高(gao)了流量(liang)計輸出(chu)的穩定(ding)性。

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