20世纪过程工业、能量计量、城市公用事业等的发展促使人们对流量测量需求急速增长，许多新型的流量计如雨后春笋般地涌现出来，涡街流量计作为一种新的速度型流量计，因其具有量程相对较宽、准确度高、压力损失小等优点，近年来发展迅速，已跻身于通用流量计之列[1]。但目前，涡街流量计仍难保证低流速时的测量精度，因此如何在低频时从叠加了噪声的信号中提取有用的涡街信号是涡街流量计信号处理的主要问题。国内外对涡街流量信号的处理方法主要有互相关法[2]、谱分析法、小波变换法[3]、Rosemount公司提出的信号阈值探测法[4]等。

    谱分析法能够从含有噪声的信号中提取有用信号的主频率。涡街流量计的理想输出是正弦周期信号，功率主要集中在低流速段，因此我们考虑用FFT谱分析方法提高低频段信号的测量精度。本文用FFT谱分析法对应力式涡街流量计的实际输出信号进行分析，并指出了用谱分析法进行实际信号处理中存在的局限性。

    1 涡街流量计输出信号的特点

    涡街流量计是利用流体振动原理进行流量测量的速度型流量计，其输出信号由两部分组成：一是由流速产生的正弦信号；二是由干扰引起的噪声信号，如流体流动噪声、流体低频摆动噪声、机械振动噪声等。在低流速时，涡街信号很微弱，易被噪声淹没或难以与噪声区别。图1为某一应力式涡街流量计在流速约为0.5m/s和1m/s时的信号输出波形。由图可见，输出信号中混叠着各种噪声和干扰信号，且流速越低，噪声干扰越明显。

    理论上，涡街流量计的量程比为100:1，而实际的量程比却远小于此，传统的硬件电路需要设置一门槛电压来去除小信号；信号阈值探测法中阈值的设定会带来计算误差。因此如何扩展量程下限，成为涡街流量计的技术难点。

    2 FFT谱分析法信号处理原理

    2.1 FFT谱分析法

    周期图法是经典谱估计的基本方法，把随机信号x（n）的N点观察值xn（n）视为一能量有限信号，直接取xn（n）的傅里叶变换，得Xn（e'ω），然后再取其幅值平方，并除以N，作为对x（n）真实功率谱的估计，即P（ω）= | Xn（ω）|2/N。

    由于xn要取的点数可能较多，通常由FFT快速计算来得到Xn（ω）的值，因此也称之为FFT谱分析法。

    2.2 谱分析法处理信号的特点

    傅里叶级数将一个复杂信号分解为许多正弦分量之和，不同信号的概率密度函数经傅里叶级数展开后能得到的频谱为一系列离散的冲击谱，正弦信号的幅值概率分布密度为某一频率处的一条谱线，大幅值密度大，小幅幅值密度小。

    理论上涡街流量计输出为正弦波，实际涡街流量输出信号中虽含有不同的噪声成分，但在信号不被干扰所淹没的情况下，其主要能量仍集中在有用正弦信号的频率点处。基于上述理论，我们可以对实际涡街信号做FFT变换，画出信号的频域图，在图中找到谱峰值最高、谱的长宽比最大的点，推测该点的频率即为涡街流量的测量值。

    3 FFT谱分析法处理涡街流量信号中的问题

    运用谱分析处理涡街流量信号是目前研究的热点之一。文献[5~7]用信号发生器的理想波形来进行谱分析处理，得到了一些有用的结论.但实际涡街流量信号因现场环境不同而包含着各种随机噪声，是无法用计算机仿真的。因此，在对实际涡街信号的FFT谱分析前，我们还要考虑以下几个问题。

    3.1 采样点数的影响

    FFT算法一般采用基2算法，所以采样点数N最好是2的指数次方。我们假设涡街流量计的输出为Z（t）=10sin（2πf1t）+8sin（2πf2t），其中信号频率f1=10Hz，噪声频率f2=2Hz，采样频率fs=80Hz，我们取采样点数N分别为16、32、256、1024点，在Matlab上进行仿真FFT运算，结果如图2所示。

    由图可见，采样点数越多，FFT谱波越接近理想状态（单位冲击序列δ函数的波形状态），功率谱的谱峰值越高，谱的长宽比越大，对噪声的抑制能力越强。

    为了保证计算精度，FFT谱分析需要较多的采样数据，一般在512点以上，但是采样点数越多，给系统带来的运算量也越大，系统分析处理的实时性会有所下降，所以在实际涡街流量信号的谱分析中，我们折中了运算时间和精度的要求，每组频率一次处理1024点数据。

    3.2 非整周期采样的影响

    非整周期采样对谱分析也存在一定影响。假设流量计的输出信号为Z（t）=10 sin（2πft+Φ），信号频率f=20Hz。从t=0时开始采样，当偏移相角Ф=360゜×k，k=0，1，2，…，称为整周期采样。我们分别令偏移角Ф=80゜、160゜、200゜、280゜，即以80゜步长递增来仿真计算非整周期采样对谱峰值P和频率估计值f的影响。

    由图3可得到以下结论：对相同的周期信号，偏角为0゜时即整周期采样时谱峰值最大，此时检测到的频率值最精确，在非整周期时，频率会产生偏移.在偏角为0゜~180゜间，随着偏角增大，谱峰逐渐减小；在180゜~360゜间，谱峰变化反之。此外，我们改变采样时间对同一正弦信号进行了仿真，可以证实：采样周期数越多，非整周期采样的影响越小。

    考虑实际的涡街测量系统中，对于未知的输出信号，不可能实现整周期采样。为了尽量减小非整周期的影响，我们就在输出信号图中找到两个相对较明显的峰值点，对峰值点间的数据进行谱分析，我们称之为近似整周期采样分析。

    3.3 分辨率的问题

    分辨率指的是在使用FFT时，频率轴上所能得到的最小频率间隔△f。定义频谱的最小间隔为△f=fs/N=1/NTs=1/T，其中fs为采样频率，T为原模拟信号的长度。△f越小，系统分辨率越好。

    为了提高系统的分辨率，在相同的采样点数下，就必须减小采样频率，但采样频率的减小又受香农采样定律的制约，必须大于等于2倍的信号周期，因此在信号频率较大时，采样频率的减小受很大约束；若考虑不改变采样频率，只增加采样点数，又将会增加数据的存储量和计算量，降低了系统的实时性，而在采样频率和点数一定的情况下，信号频率越低，误差越大。因此，单纯用谱分析方法要达到扩展涡街流量计在低流速时的量程下限非常困难。

    在实际涡街流量信号处理中，我们兼顾实时性与分辨率的要求，选取采样频率为1000Hz，采样点数1024点，此时系统分辨率为△f=1000/1024≈1Hz。

    4 实际涡街信号处理

    在综合考虑了以上一些基本问题后，我们就对某一应力式涡街流量计实际输出信号进行处理。以图1中流量为1m/s输出信号为例，该信号中混叠着干扰和噪声信号，图中还有许多“双峰”。我们近似地取图中两条黑线间的4个周期进行谱分析。用Matlab中Sptool工具箱对这4个整周期的值进行FFT谱分析，结果如图4。

    图4中横坐标为FFT计算得到的频率值，单位为Hz，纵坐标为FFT功率谱密度值，单位为dB。由图4可见，最高谱峰值所对应点的频率为18.5547Hz。根据功率密度谱的特征，我们推测该值即为涡街流量计流量为1m/s时的频率。用终端标准线性值推测到此时信号标准频率值应为17.6012Hz，以此可得谱分析的误差e=|17.6012-18.5547|/18.5547=5.14%。

    我们用相同的方法对涡街流量计流量大约为0.70，0.75，0.80，0.85，0.90，0.95m/s时的信号进行采集和处理，并绘制成图5进行综合分析。

    图5横坐标表示整周期FFT计算的平均值，单位为Hz；纵坐标为每个采样点流量计的流速，单位为m/s。通过对信号的功率谱计算结果进行分析，得出以下结论：
    （1）各频率点上计算得到的整周期FFT平均值随着流量的逐渐降低而减小，并存在一定的线性关系。
    （2）用线性推测法得到涡街信号在以上各点的标准输出，以此计算谱分析的误差，得到各点误差均在6%以下。
    （3）该涡街流量计原来所用的信号放大电路采用了电路阈值方法，此电路所能测得的流体频率最低为13.192Hz，我们用谱分析法可测涡街流量信号频率最低为11.0726Hz，比传统的电路阈值方法所能测的下限频率低2Hz左右。

    可见，FFT在测量低流速时有一定的优越性。但是在涡街流量计更低流速（流速<0.7m/s）时，用谱分析法就难以进一步提取有用信号，这是由谱分析法本身的缺陷导致的。

    5 功率谱方法本身的缺陷

    基于傅里叶变换的信号处理方法一般用于信号和噪声频带重叠部分非常小或两者完全分开的情况，然后通过滤波将信号和噪声分开。但在涡街流量信号中，信号和噪声是任意重叠的，用传统的滤波方法很难有效去除噪声。此外，在涡街流量计低频段，噪声的幅值与涡街信号非常接近，有时甚至盖过信号，此时若用功率谱来分析很可能将噪声频率错认为信号频率。因此，单纯用谱分析法来扩展涡街流量计的量程下限还存在着很大的局限性。

    6 结论

    用FFT谱分析方法对涡街信号的仿真能够在一定程度上提高低流速时信号测量精度，有效地提取出由流速产生的实际涡街信号。但由于谱分析方法本身的缺陷，它在扩展涡街流量计低流速量程范围时还存在很多问题.因此可以考虑将一些人工智能方法与谱分析法相结合，共同来解决涡街流量信号低频时的信号处理问题。

    参考文献：

    [1] 欧学伟，毕文春.涡街流量计及其应用[J].基础自动化，2001，8（3）：62-64
    [2] Schlatter G L，Gerald L. Signal processing method and apparatus for flowmeter[EB/OL]，U.S.A：WO 90/04220，Apr.19，1990
    [3] 徐科军，汪安民.基于小波变换的涡街流量计信号处理方法[J].仪器仪表学报，2001，6：36-639.
    [4] Wdhrs David L，Johnson Amy K. Applying vortex flow metering technology in demanding process applications [EB/OL].MN USA：Rosemount Inc Eden Prairie，July20，1999
    [5] 徐科军，汪安民.涡街质量流量计的一种信号处理方法[J].山东大学学报，1999，34（3A）：221-223
    [6] 徐科军.涡街流量计输出信号谱分析方法比较[J].合肥工业大学学报，1994，17（2）：6-11
    [7] 徐科军.DFT方法处理科氏流量计信号中关键方法的研究[J].工业仪表与自动化装置，1998，5.7-10

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理