摘(zhai)要:對基于(yu)譜分(fen)析的數字(zi)式渦(wo)街流(liu)量計(ji) 在應(ying)用中響應(ying)速度比(bi)較(jiao)慢及(ji)其在(zai)小流量或(huo)小口徑時流量計輸(shu)出(chu)波動兩(liang)個問題(ti)進(jin)行了深入(ru)分(fen)析(xi)。采用(yong)設置(zhi)門(men)限(xian)值的(de)方法(fa)提高(gao)了系(xi)統響應速(su)度。對(dui)頻譜(pu)分(fen)析結果(guo)進行(hang)多次(ci)爲0判(pan)斷,解決(jue)了(le)系統(tong)輸出斷(duan)續(xu)問題(ti)。通過(guo)對頻(pin)譜分(fen)析結果的(de)限幅,在平(ping)均時(shi)去掉(diao)超過标準(zhun)差的(de)頻率(lü)值,并去掉(diao)最大(da)值(zhi)和(he)最小(xiao)值,對(dui)平均結果(guo)進行第二(er)次平(ping)均的(de)方法減小(xiao)了系統輸出的(de)波動(dong),提高了流(liu)量計(ji)輸(shu)出穩定性。
0引(yin)言(yan)
　　渦街流(liu)量計具有無可(ke)動部件維(wei)護方(fang)便、壓力損(sun)失小和輸(shu)出頻率量(liang)等優點,可以測量液(ye)體(ti)、氣(qi)體和(he)蒸汽流量,應用相當(dang)廣泛(fan)。目前(qian)，渦街(jie)流量(liang)計主要有(you)兩種(zhong)處理(li)方式,即脈(mo)沖整(zheng)形計(ji)數方式和(he)數字信号(hao)處理方式(shi)。其中,數字(zi)信号(hao)處理(li)方式(shi)具有抗幹(gan)擾能(neng)力強、量程比較寬和精度(du)高的(de)優點。基于(yu)譜分(fen)析的(de)渦街流量(liang)計數字(zi)信号處理方(fang)法,采用DSP(數(shu)字信(xin)号處(chu)理器)芯片(pian)研制了實(shi)時處理系(xi)統,通過标(biao)定(ding)并應用(yong)于工業(ye)現(xian)場,取(qu)得了(le)很(hen)好(hao)的效(xiao)果。在(zai)應用(yong)中，針(zhen)對數(shu)字式(shi)渦街(jie)流量(liang)計(ji)響應速(su)度慢以(yi)及(ji)在小(xiao)流量或者(zhe)小口(kou)徑時(shi)輸(shu)出信号(hao)波動問題(ti)，進行(hang)了深(shen)人(ren)的(de)分析(xi),并提出了有效(xiao)的解(jie)決(jue)方案。
1提(ti)高信号響應的速度(du)
　　采用(yong)頻譜(pu)估計方(fang)法分析渦街(jie)信号的頻(pin)率是(shi)基(ji)于(yu)渦街流量(liang)計信(xin)号是(shi)一個平(ping)穩随機(ji)過程(cheng)信号,并且(qie)流量(liang)在短(duan)時間(jian)内是(shi)穩定的或(huo)變化(hua)很小。由于渦街(jie)流(liu)量計輸(shu)出信(xin)号實(shi)時性(xing)的要求,隻(zhi)能對(dui)有限長(zhang)時(shi)間段(duan)内的信(xin)号進.行(hang)處理,即隻能截取一段數據進(jin)行頻(pin)譜(pu)分(fen)析。爲了防(fang)止(zhi)數(shu)據統(tong)計變異(yi)性(xing)對計算渦街頻率的(de)影響(xiang),必(bi)須對若(ruo)幹次頻譜(pu)分析(xi)的結(jie)果(guo)進行平均,這(zhe)就需(xu)要花(hua)費時間。當平均次數(shu)多時(shi)，數字(zi)渦街流量(liang)計的響應(ying)速度就會(hui)顯得(de)比較慢。例(li)如,我們的系統(tong)采用時鍾(zhong)頻率爲40MHz的TMS320LF2407ADSP芯(xin)片，使用(yong)彙編語言(yan)編制FFT程序計(ji)算(suan)渦街(jie)信号(hao)的頻(pin)譜,對(dui)50次計算(suan)結果進(jin)行平均。每(mei)次FFT計算時(shi)間大概是(shi)300ms(包括(kuo)信号處理(li),人機(ji)接口等對(dui)應的其(qi)他軟件(jian)執行(hang)時間(jian)),總用(yong)時大(da)概爲(wei)15s,這個時間比較(jiao)長。若(ruo)在這(zhe)段時間裏(li),流量發(fa)生突然(ran)變化，系統(tong)就需(xu)要計算50次FFT,才能(neng)反映流量的變化,這将造(zao)成測(ce)量誤差(cha),如(ru)圖1所示。
 
　　在(zai)實際(ji)處理(li)中,将(jiang)每次(ci)頻譜(pu)分析(xi)後得到的(de)渦街頻率(lü)放人(ren)一個循環隊列(lie)中,該隊列(lie)稱爲(wei)隊列Q1,如(ru)圖2所示(shi)(數字表示(shi)隊列(lie)成員(yuan)序号)。其中(zhong),最右(you)邊的爲隊首Q1,最(zui)左邊的爲(wei)隊尾Q1。再(zai)按(an)先進(jin)先出的(de)原則對(dui)隊列(lie)中最新的(de)若幹(gan)個值(zhi)進行(hang)平均,得(de)到(dao)渦街(jie)輸出(chu)頻率(lü)。由于(yu)對隊列中的值(zhi)不加(jia)判(pan)斷而直(zhi)接參與平(ping).均,導(dao)緻系統(tong)響應速(su)度變慢。
 
　　爲(wei)此,通(tong)過設置門(men)限值(zhi)的方(fang)法來(lai)解決這個問(wen)題。根據(ju)隊列Q1中(zhong)保(bao)存的過去(qu)的流量信(xin)息來設置一個(ge)頻率突(tu)變門限(xian)frelimit,如果連(lian)續計算(suan)出N個頻率(lü)值Q1[N]~Q1[1]都(dou)超過了fre._limit,則(ze)對這N個頻(pin)率(lü)值和後(hou)面進(jin)人隊(dui)列的(de)值進行平均,而(er)前面(mian)的值(zhi)Q1[N+1]~Q1[50]不參(can)加平均,N一般爲(wei)3~5。理論上，門(men)限fre_limit的(de)選擇(ze)越小對微(wei)小突變就(jiu)越敏(min)感。但(dan)是,由(you)于FFT計(ji)算出來的(de)頻率(lü)會在(zai)--定範圍内(nei)波動,所(suo)以(yi),門限(xian)值不(bu)能選擇太(tai)小。另(ling)外，由(you)于小(xiao)的突(tu)變造(zao)成的(de)誤差不會太大(da),所以(yi)也沒(mei)必要(yao)将門(men)限(xian)設(she)置得很小(xiao)。
　　一般來說(shuo)，渦街(jie)流量(liang)計在(zai)小流量時(低頻(pin)處)頻率計算結(jie)果波(bo)動比(bi)較大(da),而大流量時(高(gao)頻處)比較穩定(ding)。所以,門限值可以根(gen)據渦街流(liu)量計(ji)所能(neng)測的最低頻(pin)率來設(she)置。由于流(liu)量計(ji)的最(zui)高可測頻(pin)率是已(yi)知的,而(er)采樣(yang)頻率一般(ban)設爲略(lue)大(da)于最(zui)高頻(pin)率的(de)2倍,所(suo)以,門限(xian)值可以(yi)根據式(1)來計算(suan):
 
　　式中:ƒs爲采(cai)樣頻率;Ɩ爲儀表量程(cheng)比;α(0<lαl<1)爲系(xi)數(shu)。調整(zheng)α可以(yi)調(diao)整門限(xian)值大小(xiao),α<0時(shi)爲下(xia)限;α>0時(shi)爲上(shang)限。一(yi)般可(ke)以(yi)取±4%~±13%。
　　當流量突變(bian)不超過(guo)門限時,在(zai)流量(liang)計調(diao)節(jie)時間内(nei)累積(ji)流量(liang)的最(zui)大相(xiang)對誤差爲(wei):
 
　　式中(zhong):n(n》1)爲平均次數;ƒp爲(wei)突變以前(qian)的頻率;ƒr爲(wei)突變(bian)以後(hou)的頻率。而(er)當流量突(tu)變超過fre_limit時,誤(wu)差(cha)會非(fei)常小。
　　實際(ji)流量變化(hua)是一(yi)個連(lian)續變(bian)化的過程(cheng)。但是(shi),隻要(yao)流量(liang)對應的信号頻(pin)率的(de)變化(hua)率超(chao)過fre_limit/tc,其中tc爲FFT計算(suan)的間(jian)隔時(shi)間，則(ze)系統就能快速(su)響應(ying);而流量對(dui)應的信号(hao)頻率(lü)的變化率小于(yu)fre_limit/tc.時,其最大相對(dui)誤差小于(yu)式(2)的(de)計算值(zhi)。
　　圖(tu)3爲經過加速(su)處理後(hou)40口徑渦街流量(liang)計在(zai)流量(liang)突變(bian)時的響應(ying)曲線(xian)。可見,在(zai)流量突(tu)變後,系統(tong)經過(guo)3次FFT計算(suan)就(jiu)能跟(gen)上流量的(de)變化(hua),有效(xiao)地提(ti)高了(le)流量計(ji)的響應(ying)速度(du)。
 
2.1消(xiao)除輸出(chu)信号的斷(duan)續現(xian)象
　　頻譜(pu)分析法(fa)是按(an)能量(liang)最大原則(ze),即把FFT計算(suan)出來的(de)功率譜(pu)中能(neng)量最大的(de)頻率值作(zuo)爲渦街頻(pin)率。但是,由(you)于幹擾的存在,不得(de)不(bu)設(she)置一(yi)個最(zui)小(xiao)截(jie)止幅值(min_amp)來限(xian)制(zhi)小幅(fu)值幹擾(rao)信(xin)号,即(ji)當FFT計(ji)算(suan)幅值低(di)于最小(xiao)截(jie)止幅(fu)值時,流(liu)量(liang)計輸(shu)出爲0,從而(er)提高抗幹擾能力;而(er)由于信号(hao)質量(liang)、對采(cai)樣信(xin)号加(jia)窗FFT非整周(zhou)期采(cai)樣等原因,導緻(zhi)FFT計算幅(fu)值會有(you)波動(dong)。當(dang)流(liu)量在(zai)流量計(ji)下(xia)限附(fu)近時,會(hui)出現FFT計(ji)算幅值低(di)于最(zui)小截(jie)止(zhi)幅(fu)值的(de)情況,這将(jiang)導緻(zhi)流量(liang)計輸出出(chu)現斷(duan)續現象。
　　流(liu)量計斷續問題(ti)主要是(shi)由(you)于偶(ou)爾幾(ji)次的FFT計算(suan)幅值低于(yu)最小(xiao)截止(zhi)幅(fu)值(zhi)所緻(zhi)。通過實驗發現(xian)，在流量計可測(ce)流量範圍(wei)内-般(ban)不會(hui)出現連續(xu)幾次FFT計算(suan)幅值(zhi)均小于最小截(jie)止幅值的(de)情況，所以在(zai)碰(peng)到FFT計(ji)算幅(fu)值低于最小截止(zhi)幅值時(shi)不是(shi)直接(jie)輸出0,而是(shi)将(jiang)0放入隊(dui)列Q1。在計算平均頻率(lü)以前先對(dui)隊列Q1中(zhong)最近的(de)N(N可取(qu)3~4)個(ge)值(zhi)進行(hang)判斷,如果(guo)N個值(zhi)，全部(bu)爲(wei)0,則流量(liang)計輸出(chu)爲0,否則繼續(xu)做平(ping)均計(ji)算,将(jiang)平(ping)均(jun)值作(zuo)爲流(liu)量計的輸(shu)出頻(pin)率,這樣就可以(yi)解(jie)決輸出(chu)斷續(xu)的問題。
2.2解(jie)決輸出信号的(de)波動問(wen)題(ti)
　　在小(xiao)流量(liang)的時候渦(wo)街流(liu)量計(ji)信号(hao)微弱(ruo),信噪(zao)比降(jiang)低,信号(hao)質(zhi)量比(bi)較差(cha),頻(pin)譜分析(xi)得到(dao)的(de)渦街頻(pin)率波(bo)動比(bi)較大(da)。特别是小口徑渦街(jie)流量計，由(you)于傳感器安裝(zhuang)等原(yuan)因,這種現(xian)象更爲明顯。圖(tu)4中,曲線1爲15口徑(jing)渦街流量(liang)計在下限(xian)頻率(lü)附近(jin),每次FFT計算得到的渦(wo)街(jie)頻(pin)率;曲(qu)線2爲40口徑(jing)離下(xia)限頻(pin)率(lü)比較遠(yuan)時每次FFT計(ji)算後得到的渦街頻(pin)率。可見，曲(qu)線1波(bo)動較大，數(shu)值約(yue)爲30Hz。此(ci)時(shi),即便采(cai)取平(ping)均(jun)措(cuo)施,也(ye)無法(fa)使輸(shu)出頻(pin)率值(zhi)穩定。
 
　　波動(dong)問題(ti)主(zhu)要是由(you)于信(xin)号較(jiao)差,每(mei)次FFT計(ji)算出(chu)的頻(pin)率值(zhi)偏差太大(da)所造成的(de)。所以(yi),首先(xian)必(bi)須(xu)保證(zheng)隊列(lie)Q1中(zhong)的(de)所有(you)頻率(lü)值在可信(xin)範圍内(nei),即(ji)在流(liu)量沒有突(tu)變的(de)情況下,隊(dui)列Q1中(zhong)的頻(pin)率值不能(neng)與前次(ci)輸(shu)出頻率差得太多。爲(wei)此，可(ke)以設置一(yi)個頻率(lü)允許跳(tiao)動範圍的限幅值。當(dang)計(ji)算的頻(pin)率值(zhi)超(chao)出範圍時,不(bu)是(shi)簡(jian)單地(di)将這個(ge)值(zhi)去掉(diao),而是(shi)用最(zui)近一(yi)次的(de)輸(shu)出頻率(lü)加上(shang)限幅(fu)值來(lai)代替這(zhe)個(ge)值。這在某種(zhong)程度上(shang)能保(bao)留(liu)反映流(liu)量變(bian)化趨(qu)勢的(de)部分信(xin)息(xi)。通過(guo)實驗(yan)發現,可以(yi)根據fre__limit來(lai)設置這(zhe)個限幅(fu)值。
處理(li)波動(dong)問題(ti)的具(ju)體步(bu)驟(zhou)爲(wei):
①對隊(dui)列Q,的第(di)N個元素(su)Q1[N]用式(shi)(3)處(chu)理(li),得到(dao)數值ƒin爲(wei):
 
　　式(shi)中:ƒin爲(wei)處理(li)後隊列Q1[N]中(zhong)的頻(pin)率(lü)值(zhi);f。爲處(chu)理前(qian)隊列(lie)Q1N]中的(de)頻率值,即(ji)原先FFT計算(suan)出來的頻(pin)率值;f,爲流量計(ji)最近(jin)--次(ci)輸出的(de)頻率(lü)值;c爲(wei)常數,可以根據實際(ji)情況選取,實驗(yan)中取(qu)1。需要(yao)注意(yi)的是,這裏(li)是對(dui)Q1[N]處理(li),而(er)不(bu)是對(dui)隊首元素Q1[1]處理。原因是,Q1[1]~Q1[N-1]中的信(xin)息會(hui)反(fan)映流量(liang)的突(tu)變,如(ru)果對(dui)其進行限幅處(chu)理,會(hui)影響系統(tong)的響應速(su)度。
②對(dui)隊列(lie)Q1中(zhong)的值進(jin)行去N-1次最(zui)大、最(zui)小值(zhi)處(chu)理,算出(chu)均值(zhi)μ,根據均值(zhi)算出标準(zhun)差σ,然(ran)後,再利(li)用(yong)标準(zhun)差對(dui)隊(dui)列Q1中的(de)值進行平均。而(er)超出标準(zhun)差的(de)數據不(bu)參(can)加平(ping)均。
③經(jing)過(guo)以上處(chu)理後得到的頻(pin)率已(yi)經(jing)比較穩(wen)定,但仍有(you)一定(ding)範圍(wei)的波動。如(ru)果流量是(shi)穩定的話,流(liu)量(liang)計輸(shu)出應(ying)該接(jie)近穩定,波(bo)動比較小(xiao)。因此,可(ke)以(yi)考慮(lü)對計算(suan)頻率值(zhi)進行第(di)二(er)次平(ping)均,相(xiang)當(dang)于進行(hang)二次(ci)濾(lü)波(bo)。爲此(ci),建立(li)另(ling)一個隊(dui)列Q2。隊列(lie)Q2中的元(yuan)素是(shi)隊(dui)列Q;經過(guo)上述步驟(zhou)處理(li)後的(de)結(jie)果;再對(dui)隊列(lie)Q2進(jin)行(hang)平均(jun)計算(suan),得(de)到(dao)的均(jun)值作爲(wei)流(liu)量計(ji)的輸(shu)出(chu)。注意,這(zhe)裏對(dui)隊列(lie)Q2也要進行加速處理(li),方法(fa)與(yu)處(chu)理Q1的類似(si)。圖(tu)5所(suo)示爲(wei)經過處理(li)以後(hou)渦街流量(liang)計的(de)輸出(chu)，從圖(tu)中可以看(kan)出流量計(ji)輸出已經(jing)比較(jiao)平穩。
 
3結束(shu)語
　　根(gen)據頻譜(pu)分(fen)析後(hou)的結(jie)果(guo),采用設(she)置門限值(zhi)的方(fang)法對流(liu)量(liang)計輸(shu)出進(jin)行加(jia)速處(chu)理,并(bing)分(fen)析(xi)了加(jia)速處(chu)理方法的誤差(cha),有(you)效地提(ti)高了流量(liang)計的(de)響應(ying)速度降低(di)了調(diao)節(jie)時(shi)間内由于(yu)響應慢造(zao)成的(de)誤差(cha)。
　　對頻(pin)譜分(fen)析(xi)後(hou)的結(jie)果進行0值(zhi)判斷(duan),連續(xu)幾次爲0,流(liu)量計(ji)輸出(chu)才爲0,消除(chu)了流量計(ji)在可測流(liu)量下限.時(shi)輸(shu)出斷續(xu)現象。
　　在對(dui)頻譜分析後的結果(guo)平均(jun)前(qian)采(cai)取了(le)限幅(fu)、去掉超過(guo)标準差以外的(de)值和(he)去掉最大(da)值最小(xiao)值(zhi)的操(cao)作,并對平(ping)均後(hou)的結果進(jin)行第(di)二次(ci)平(ping)均(jun),減小(xiao)了流量(liang)計(ji)輸出(chu)信号(hao)的波(bo)動,提(ti)高了流量(liang)計輸出的(de)穩(wen)定性。

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