摘要:對基于譜(pu)分析的數字式(shi)渦街流量計 在(zài)應用中響應速(sù)度比較慢及其(qí)在小流量或小(xiao)口徑時流量計(jì)輸出波動兩個(ge)問題進行了深(shen)入分析。采用設(she)置門限值的方(fāng)法提高了系統(tong)響應速度。對頻(pin)譜分析結果進(jìn)行多次爲0判斷(duàn),解決了系統輸(shū)出斷續問題。通(tōng)過對頻譜分析(xī)結果的限幅,在(zai)平均時去掉超(chao)過标準差的頻(pin)率值,并去掉最(zui)大值和最小值(zhi),對平均結果進(jìn)行第二次平均(jun1)的方法減小了(le)系統輸出的波(bo)動,提高了流量(liang)計輸出穩定性(xìng)。
0引言
　　渦街流量(liang)計具有無可動(dong)部件維護方便(biàn)、壓力損失小和(hé)輸出頻率量等(deng)優點,可以測量(liàng)液體、氣體和蒸(zheng)汽流量,應用相(xiang)當廣泛。目前，渦(wō)街流量計主要(yao)有兩種處理方(fāng)式,即脈沖整形(xíng)計數方式和數(shù)字信号處理方(fāng)式。其中,數字信(xìn)号處理方式具(ju)有抗幹擾能力(li)強、量程比較寬(kuan)和精度高的優(you)點。基于譜分析(xi)的渦街流量計(jì)數字信号處理(li)方法,采用DSP(數字(zì)信号處理器)芯(xīn)片研制了實時(shí)處理系統,通過(guo)标定并應用于(yu)工業現場,取得(dé)了很好的效果(guǒ)。在應用中，針對(dui)數字式渦街流(liú)量計響應速度(dù)慢以及在小流(liu)量或者小口徑(jìng)時輸出信号波(bo)動問題，進行了(le)深人的分析,并(bing)提出了有效的(de)解決方案。
1提高(gāo)信号響應的速(su)度
　　采用頻譜估(gū)計方法分析渦(wo)街信号的頻率(lǜ)是基于渦街流(liú)量計信号是一(yi)個平穩随機過(guo)程信号,并且流(liú)量在短時間内(nei)是穩定的或變(bian)化很小。由于渦(wō)街流量計輸出(chu)信号實時性的(de)要求,隻能對有(you)限長時間段内(nei)的信号進.行處(chù)理,即隻能截取(qǔ)一段數據進行(háng)頻譜分析。爲了(le)防止數據統計(jì)變異性對計算(suàn)渦街頻率的影(yǐng)響,必須對若幹(gan)次頻譜分析的(de)結果進行平均(jun),這就需要花費(fei)時間。當平均次(cì)數多時，數字渦(wō)街流量計的響(xiǎng)應速度就會顯(xiǎn)得比較慢。例如(rú),我們的系統采(cai)用時鍾頻率爲(wèi)40MHz的TMS320LF2407ADSP芯片，使用彙(hui)編語言編制FFT程(chéng)序計算渦街信(xin)号的頻譜,對50次(cì)計算結果進行(hang)平均。每次FFT計算(suan)時間大概是300ms(包(bāo)括信号處理,人(rén)機接口等對應(ying)的其他軟件執(zhi)行時間),總用時(shi)大概爲15s,這個時(shi)間比較長。若在(zai)這段時間裏,流(liu)量發生突然變(biàn)化，系統就需要(yao)計算50次FFT,才能反(fǎn)映流量的變化(huà),這将造成測量(liang)誤差,如圖1所示(shì)。
 
　　在實際處理中(zhong),将每次頻譜分(fen)析後得到的渦(wo)街頻率放人一(yī)個循環隊列中(zhōng),該隊列稱爲隊(dui)列Q1,如圖2所示(數(shù)字表示隊列成(chéng)員序号)。其中,最(zui)右邊的爲隊首(shǒu)Q1,最左邊的爲隊(dui)尾Q1。再按先進先(xian)出的原則對隊(dui)列中最新的若(ruo)幹個值進行平(ping)均,得到渦街輸(shu)出頻率。由于對(duì)隊列中的值不(bú)加判斷而直接(jiē)參與平.均,導緻(zhì)系統響應速度(du)變慢。
 
　　爲此,通過(guo)設置門限值的(de)方法來解決這(zhe)個問題。根據隊(dui)列Q1中保存的過(guò)去的流量信息(xī)來設置一個頻(pin)率突變門限frelimit,如(rú)果連續計算出(chu)N個頻率值Q1[N]~Q1[1]都超(chao)過了fre._limit,則對這N個(ge)頻率值和後面(miàn)進人隊列的值(zhi)進行平均,而前(qián)面的值Q1[N+1]~Q1[50]不參加(jia)平均,N一般爲3~5。理(li)論上，門限fre_limit的選(xuan)擇越小對微小(xiao)突變就越敏感(gan)。但是,由于FFT計算(suan)出來的頻率會(hui)在--定範圍内波(bo)動,所以,門限值(zhí)不能選擇太小(xiǎo)。另外，由于小的(de)突變造成的誤(wu)差不會太大,所(suǒ)以也沒必要将(jiang)門限設置得很(hen)小。
　　一般來說，渦(wō)街流量計在小(xiao)流量時(低頻處(chu))頻率計算結果(guo)波動比較大,而(ér)大流量時(高頻(pín)處)比較穩定。所(suǒ)以,門限值可以(yi)根據渦街流量(liàng)計所能測的最(zuì)低頻率來設置(zhì)。由于流量計的(de)最高可測頻率(lǜ)是已知的,而采(cai)樣頻率一般設(she)爲略大于最高(gao)頻率的2倍,所以(yǐ),門限值可以根(gēn)據式(1)來計算:
 
　　式(shi)中:ƒs爲采樣頻率(lü);Ɩ爲儀表量程比(bi);α(0<lαl<1)爲系數。調整α可(ke)以調整門限值(zhí)大小,α<0時爲下限(xiàn);α>0時爲上限。一般(ban)可以取±4%~±13%。
　　當流量(liang)突變不超過門(mén)限時,在流量計(jì)調節時間内累(lèi)積流量的最大(da)相對誤差爲:
 
　　式(shi)中:n(n》1)爲平均次數(shu);ƒp爲突變以前的(de)頻率;ƒr爲突變以(yǐ)後的頻率。而當(dang)流量突變超過(guò)fre_limit時,誤差會非常(chang)小。
　　實際流量變(biàn)化是一個連續(xù)變化的過程。但(dàn)是,隻要流量對(duì)應的信号頻率(lǜ)的變化率超過(guo)fre_limit/tc,其中tc爲FFT計算的(de)間隔時間，則系(xi)統就能快速響(xiang)應;而流量對應(yīng)的信号頻率的(de)變化率小于fre_limit/tc.時(shi),其最大相對誤(wù)差小于式(2)的計(ji)算值。
　　圖3爲經過(guo)加速處理後40口(kǒu)徑渦街流量計(ji)在流量突變時(shi)的響應曲線。可(ke)見,在流量突變(bian)後,系統經過3次(ci)FFT計算就能跟上(shang)流量的變化,有(yǒu)效地提高了流(liu)量計的響應速(sù)度。
 
2.1消除輸出信(xin)号的斷續現象(xiàng)
　　頻譜分析法是(shi)按能量最大原(yuán)則,即把FFT計算出(chū)來的功率譜中(zhōng)能量最大的頻(pín)率值作爲渦街(jie)頻率。但是,由于(yu)幹擾的存在,不(bú)得不設置一個(ge)最小截止幅值(zhí)(min_amp)來限制小幅值(zhí)幹擾信号,即當(dāng)FFT計算幅值低于(yu)最小截止幅值(zhí)時,流量計輸出(chu)爲0,從而提高抗(kàng)幹擾能力;而由(yóu)于信号質量、對(dui)采樣信号加窗(chuang)FFT非整周期采樣(yang)等原因,導緻FFT計(ji)算幅值會有波(bo)動。當流量在流(liú)量計下限附近(jin)時,會出現FFT計算(suàn)幅值低于最小(xiao)截止幅值的情(qing)況,這将導緻流(liú)量計輸出出現(xian)斷續現象。
　　流量(liang)計斷續問題主(zhu)要是由于偶爾(ěr)幾次的FFT計算幅(fú)值低于最小截(jie)止幅值所緻。通(tong)過實驗發現，在(zài)流量計可測流(liú)量範圍内-般不(bu)會出現連續幾(ji)次FFT計算幅值均(jun)小于最小截止(zhǐ)幅值的情況，所(suǒ)以在碰到FFT計算(suàn)幅值低于最小(xiǎo)截止幅值時不(bú)是直接輸出0,而(ér)是将0放入隊列(liè)Q1。在計算平均頻(pin)率以前先對隊(dui)列Q1中最近的N(N可(kě)取3~4)個值進行判(pan)斷,如果N個值，全(quán)部爲0,則流量計(jì)輸出爲0,否則繼(ji)續做平均計算(suan),将平均值作爲(wei)流量計的輸出(chu)頻率,這樣就可(kě)以解決輸出斷(duàn)續的問題。
2.2解決(jué)輸出信号的波(bo)動問題
　　在小流(liu)量的時候渦街(jiē)流量計信号微(wei)弱,信噪比降低(dī),信号質量比較(jiào)差,頻譜分析得(de)到的渦街頻率(lǜ)波動比較大。特(tè)别是小口徑渦(wo)街流量計，由于(yú)傳感器安裝等(děng)原因,這種現象(xiàng)更爲明顯。圖4中(zhong),曲線1爲15口徑渦(wō)街流量計在下(xia)限頻率附近,每(měi)次FFT計算得到的(de)渦街頻率;曲線(xian)2爲40口徑離下限(xiàn)頻率比較遠時(shí)每次FFT計算後得(dé)到的渦街頻率(lǜ)。可見，曲線1波動(dong)較大，數值約爲(wèi)30Hz。此時,即便采取(qu)平均措施,也無(wu)法使輸出頻率(lü)值穩定。
 
　　波動問(wèn)題主要是由于(yú)信号較差,每次(cì)FFT計算出的頻率(lü)值偏差太大所(suo)造成的。所以,首(shou)先必須保證隊(dui)列Q1中的所有頻(pin)率值在可信範(fàn)圍内,即在流量(liàng)沒有突變的情(qing)況下,隊列Q1中的(de)頻率值不能與(yǔ)前次輸出頻率(lü)差得太多。爲此(cǐ)，可以設置一個(gè)頻率允許跳動(dong)範圍的限幅值(zhi)。當計算的頻率(lǜ)值超出範圍時(shi),不是簡單地将(jiang)這個值去掉,而(er)是用最近一次(cì)的輸出頻率加(jiā)上限幅值來代(dài)替這個值。這在(zai)某種程度上能(neng)保留反映流量(liang)變化趨勢的部(bù)分信息。通過實(shí)驗發現,可以根(gēn)據fre__limit來設置這個(ge)限幅值。
處理波(bo)動問題的具體(ti)步驟爲:
①對隊列(liè)Q,的第N個元素Q1[N]用(yòng)式(3)處理,得到數(shù)值ƒin爲:
 
　　式中:ƒin爲處(chu)理後隊列Q1[N]中的(de)頻率值;f。爲處理(lǐ)前隊列Q1N]中的頻(pin)率值,即原先FFT計(ji)算出來的頻率(lǜ)值;f,爲流量計最(zuì)近--次輸出的頻(pin)率值;c爲常數,可(kě)以根據實際情(qíng)況選取,實驗中(zhōng)取1。需要注意的(de)是,這裏是對Q1[N]處(chù)理,而不是對隊(duì)首元素Q1[1]處理。原(yuan)因是,Q1[1]~Q1[N-1]中的信息(xī)會反映流量的(de)突變,如果對其(qí)進行限幅處理(li),會影響系統的(de)響應速度。
②對隊(dui)列Q1中的值進行(háng)去N-1次最大、最小(xiǎo)值處理,算出均(jun)值μ,根據均值算(suan)出标準差σ,然後(hòu),再利用标準差(cha)對隊列Q1中的值(zhi)進行平均。而超(chāo)出标準差的數(shu)據不參加平均(jun)。
③經過以上處理(li)後得到的頻率(lǜ)已經比較穩定(ding),但仍有一定範(fan)圍的波動。如果(guo)流量是穩定的(de)話,流量計輸出(chū)應該接近穩定(dìng),波動比較小。因(yīn)此,可以考慮對(duì)計算頻率值進(jin)行第二次平均(jun1),相當于進行二(er)次濾波。爲此,建(jiàn)立另一個隊列(lie)Q2。隊列Q2中的元素(su)是隊列Q;經過上(shàng)述步驟處理後(hòu)的結果;再對隊(dui)列Q2進行平均計(ji)算,得到的均值(zhi)作爲流量計的(de)輸出。注意,這裏(lǐ)對隊列Q2也要進(jin)行加速處理,方(fang)法與處理Q1的類(lèi)似。圖5所示爲經(jīng)過處理以後渦(wō)街流量計的輸(shū)出，從圖中可以(yǐ)看出流量計輸(shū)出已經比較平(ping)穩。
 
3結束語
　　根據(ju)頻譜分析後的(de)結果,采用設置(zhi)門限值的方法(fa)對流量計輸出(chū)進行加速處理(lǐ),并分析了加速(sù)處理方法的誤(wù)差,有效地提高(gāo)了流量計的響(xiang)應速度降低了(le)調節時間内由(you)于響應慢造成(chéng)的誤差。
　　對頻譜(pu)分析後的結果(guo)進行0值判斷,連(lian)續幾次爲0,流量(liàng)計輸出才爲0,消(xiao)除了流量計在(zai)可測流量下限(xian).時輸出斷續現(xian)象。
　　在對頻譜分(fèn)析後的結果平(píng)均前采取了限(xiàn)幅、去掉超過标(biāo)準差以外的值(zhi)和去掉最大值(zhí)最小值的操作(zuò),并對平均後的(de)結果進行第二(er)次平均,減小了(le)流量計輸出信(xin)号的波動,提高(gao)了流量計輸出(chu)的穩定性。

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