摘要(yao):對基(ji)于譜(pu)分析(xi)的數(shu)字式(shi)渦街(jie)流量(liang)計 在(zai)應用(yong)中響(xiang)應速(su)度比(bi)較慢(man)及其(qi)在小(xiao)流量(liang)或小(xiao)口徑(jing)時流(liu)量計(ji)輸出(chu)波動(dong)兩個(ge)問題(ti)進行(hang)了深(shen)入分(fen)析。采(cai)用設(she)置門(men)限值(zhi)的方(fang)法提(ti)高了(le)系統(tong)響應(ying)速度(du)。對頻(pin)譜分(fen)析結(jie)果進(jin)行多(duo)次爲(wei)0判斷(duan),解決(jue)了系(xi)統輸(shu)出斷(duan)續問(wen)題。通(tong)過對(dui)頻譜(pu)分析(xi)結果(guo)的限(xian)幅,在(zai)平均(jun)時去(qu)掉超(chao)過标(biao)準差(cha)的頻(pin)率值(zhi),并去(qu)掉最(zui)大值(zhi)和最(zui)小值(zhi),對平(ping)均結(jie)果進(jin)行第(di)二次(ci)平均(jun)的方(fang)法減(jian)小了(le)系統(tong)輸出(chu)的波(bo)動,提(ti)高了(le)流量(liang)計輸(shu)出穩(wen)定性(xing)。
0引言(yan)
　　渦街(jie)流量(liang)計具(ju)有無(wu)可動(dong)部件(jian)維護(hu)方便(bian)、壓力(li)損失(shi)小和(he)輸出(chu)頻率(lü)量等(deng)優點(dian),可以(yi)測量(liang)液體(ti)、氣體(ti)和蒸(zheng)汽流(liu)量,應(ying)用相(xiang)當廣(guang)泛。目(mu)前，渦(wo)街流(liu)量計(ji)主要(yao)有兩(liang)種處(chu)理方(fang)式,即(ji)脈沖(chong)整形(xing)計數(shu)方式(shi)和數(shu)字信(xin)号處(chu)理方(fang)式。其(qi)中,數(shu)字信(xin)号處(chu)理方(fang)式具(ju)有抗(kang)幹擾(rao)能力(li)強、量(liang)程比(bi)較寬(kuan)和精(jing)度高(gao)的優(you)點。基(ji)于譜(pu)分析(xi)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)數字(zi)信号(hao)處理(li)方法(fa),采用(yong)DSP(數字(zi)信号(hao)處理(li)器)芯(xin)片研(yan)制了(le)實時(shi)處理(li)系統(tong),通過(guo)标定(ding)并應(ying)用于(yu)工業(ye)現場(chang),取得(de)了很(hen)好的(de)效果(guo)。在應(ying)用中(zhong)，針對(dui)數字(zi)式渦(wo)街流(liu)量計(ji)響應(ying)速度(du)慢以(yi)及在(zai)小流(liu)量或(huo)者小(xiao)口徑(jing)時輸(shu)出信(xin)号波(bo)動問(wen)題，進(jin)行了(le)深人(ren)的分(fen)析,并(bing)提出(chu)了有(you)效的(de)解決(jue)方案(an)。
1提高(gao)信号(hao)響應(ying)的速(su)度
　　采(cai)用頻(pin)譜估(gu)計方(fang)法分(fen)析渦(wo)街信(xin)号的(de)頻率(lü)是基(ji)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)信号(hao)是一(yi)個平(ping)穩随(sui)機過(guo)程信(xin)号,并(bing)且流(liu)量在(zai)短時(shi)間内(nei)是穩(wen)定的(de)或變(bian)化很(hen)小。由(you)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)輸出(chu)信号(hao)實時(shi)性的(de)要求(qiu),隻能(neng)對有(you)限長(zhang)時間(jian)段内(nei)的信(xin)号進(jin).行處(chu)理,即(ji)隻能(neng)截取(qu)一段(duan)數據(ju)進行(hang)頻譜(pu)分析(xi)。爲了(le)防止(zhi)數據(ju)統計(ji)變異(yi)性對(dui)計算(suan)渦街(jie)頻率(lü)的影(ying)響,必(bi)須對(dui)若幹(gan)次頻(pin)譜分(fen)析的(de)結果(guo)進行(hang)平均(jun),這就(jiu)需要(yao)花費(fei)時間(jian)。當平(ping)均次(ci)數多(duo)時，數(shu)字渦(wo)街流(liu)量計(ji)的響(xiang)應速(su)度就(jiu)會顯(xian)得比(bi)較慢(man)。例如(ru),我們(men)的系(xi)統采(cai)用時(shi)鍾頻(pin)率爲(wei)40MHz的TMS320LF2407ADSP芯(xin)片，使(shi)用彙(hui)編語(yu)言編(bian)制FFT程(cheng)序計(ji)算渦(wo)街信(xin)号的(de)頻譜(pu),對50次(ci)計算(suan)結果(guo)進行(hang)平均(jun)。每次(ci)FFT計算(suan)時間(jian)大概(gai)是300ms(包(bao)括信(xin)号處(chu)理,人(ren)機接(jie)口等(deng)對應(ying)的其(qi)他軟(ruan)件執(zhi)行時(shi)間),總(zong)用時(shi)大概(gai)爲15s,這(zhe)個時(shi)間比(bi)較長(zhang)。若在(zai)這段(duan)時間(jian)裏,流(liu)量發(fa)生突(tu)然變(bian)化，系(xi)統就(jiu)需要(yao)計算(suan)50次FFT,才(cai)能反(fan)映流(liu)量的(de)變化(hua),這将(jiang)造成(cheng)測量(liang)誤差(cha),如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　在實(shi)際處(chu)理中(zhong),将每(mei)次頻(pin)譜分(fen)析後(hou)得到(dao)的渦(wo)街頻(pin)率放(fang)人一(yi)個循(xun)環隊(dui)列中(zhong),該隊(dui)列稱(cheng)爲隊(dui)列Q1,如(ru)圖2所(suo)示(數(shu)字表(biao)示隊(dui)列成(cheng)員序(xu)号)。其(qi)中,最(zui)右邊(bian)的爲(wei)隊首(shou)Q1,最左(zuo)邊的(de)爲隊(dui)尾Q1。再(zai)按先(xian)進先(xian)出的(de)原則(ze)對隊(dui)列中(zhong)最新(xin)的若(ruo)幹個(ge)值進(jin)行平(ping)均,得(de)到渦(wo)街輸(shu)出頻(pin)率。由(you)于對(dui)隊列(lie)中的(de)值不(bu)加判(pan)斷而(er)直接(jie)參與(yu)平.均(jun),導緻(zhi)系統(tong)響應(ying)速度(du)變慢(man)。
 
　　爲此(ci),通過(guo)設置(zhi)門限(xian)值的(de)方法(fa)來解(jie)決這(zhe)個問(wen)題。根(gen)據隊(dui)列Q1中(zhong)保存(cun)的過(guo)去的(de)流量(liang)信息(xi)來設(she)置一(yi)個頻(pin)率突(tu)變門(men)限frelimit,如(ru)果連(lian)續計(ji)算出(chu)N個頻(pin)率值(zhi)Q1[N]~Q1[1]都超(chao)過了(le)fre._limit,則對(dui)這N個(ge)頻率(lü)值和(he)後面(mian)進人(ren)隊列(lie)的值(zhi)進行(hang)平均(jun),而前(qian)面的(de)值Q1[N+1]~Q1[50]不(bu)參加(jia)平均(jun),N一般(ban)爲3~5。理(li)論上(shang)，門限(xian)fre_limit的選(xuan)擇越(yue)小對(dui)微小(xiao)突變(bian)就越(yue)敏感(gan)。但是(shi),由于(yu)FFT計算(suan)出來(lai)的頻(pin)率會(hui)在--定(ding)範圍(wei)内波(bo)動,所(suo)以,門(men)限值(zhi)不能(neng)選擇(ze)太小(xiao)。另外(wai)，由于(yu)小的(de)突變(bian)造成(cheng)的誤(wu)差不(bu)會太(tai)大,所(suo)以也(ye)沒必(bi)要将(jiang)門限(xian)設置(zhi)得很(hen)小。
　　一(yi)般來(lai)說，渦(wo)街流(liu)量計(ji)在小(xiao)流量(liang)時(低(di)頻處(chu))頻率(lü)計算(suan)結果(guo)波動(dong)比較(jiao)大,而(er)大流(liu)量時(shi)(高頻(pin)處)比(bi)較穩(wen)定。所(suo)以,門(men)限值(zhi)可以(yi)根據(ju)渦街(jie)流量(liang)計所(suo)能測(ce)的最(zui)低頻(pin)率來(lai)設置(zhi)。由于(yu)流量(liang)計的(de)最高(gao)可測(ce)頻率(lü)是已(yi)知的(de),而采(cai)樣頻(pin)率一(yi)般設(she)爲略(lue)大于(yu)最高(gao)頻率(lü)的2倍(bei),所以(yi),門限(xian)值可(ke)以根(gen)據式(shi)(1)來計(ji)算:
 
　　式(shi)中:ƒs爲(wei)采樣(yang)頻率(lü);Ɩ爲儀(yi)表量(liang)程比(bi);α(0<lαl<1)爲系(xi)數。調(diao)整α可(ke)以調(diao)整門(men)限值(zhi)大小(xiao),α<0時爲(wei)下限(xian);α>0時爲(wei)上限(xian)。一般(ban)可以(yi)取±4%~±13%。
　　當(dang)流量(liang)突變(bian)不超(chao)過門(men)限時(shi),在流(liu)量計(ji)調節(jie)時間(jian)内累(lei)積流(liu)量的(de)最大(da)相對(dui)誤差(cha)爲:
 
　　式(shi)中:n(n》1)爲(wei)平均(jun)次數(shu);ƒp爲突(tu)變以(yi)前的(de)頻率(lü);ƒr爲突(tu)變以(yi)後的(de)頻率(lü)。而當(dang)流量(liang)突變(bian)超過(guo)fre_limit時,誤(wu)差會(hui)非常(chang)小。
　　實(shi)際流(liu)量變(bian)化是(shi)一個(ge)連續(xu)變化(hua)的過(guo)程。但(dan)是,隻(zhi)要流(liu)量對(dui)應的(de)信号(hao)頻率(lü)的變(bian)化率(lü)超過(guo)fre_limit/tc,其中(zhong)tc爲FFT計(ji)算的(de)間隔(ge)時間(jian)，則系(xi)統就(jiu)能快(kuai)速響(xiang)應;而(er)流量(liang)對應(ying)的信(xin)号頻(pin)率的(de)變化(hua)率小(xiao)于fre_limit/tc.時(shi),其最(zui)大相(xiang)對誤(wu)差小(xiao)于式(shi)(2)的計(ji)算值(zhi)。
　　圖3爲(wei)經過(guo)加速(su)處理(li)後40口(kou)徑渦(wo)街流(liu)量計(ji)在流(liu)量突(tu)變時(shi)的響(xiang)應曲(qu)線。可(ke)見,在(zai)流量(liang)突變(bian)後,系(xi)統經(jing)過3次(ci)FFT計算(suan)就能(neng)跟上(shang)流量(liang)的變(bian)化,有(you)效地(di)提高(gao)了流(liu)量計(ji)的響(xiang)應速(su)度。
 
2.1消(xiao)除輸(shu)出信(xin)号的(de)斷續(xu)現象(xiang)
　　頻譜(pu)分析(xi)法是(shi)按能(neng)量最(zui)大原(yuan)則,即(ji)把FFT計(ji)算出(chu)來的(de)功率(lü)譜中(zhong)能量(liang)最大(da)的頻(pin)率值(zhi)作爲(wei)渦街(jie)頻率(lü)。但是(shi),由于(yu)幹擾(rao)的存(cun)在,不(bu)得不(bu)設置(zhi)一個(ge)最小(xiao)截止(zhi)幅值(zhi)(min_amp)來限(xian)制小(xiao)幅值(zhi)幹擾(rao)信号(hao),即當(dang)FFT計算(suan)幅值(zhi)低于(yu)最小(xiao)截止(zhi)幅值(zhi)時,流(liu)量計(ji)輸出(chu)爲0,從(cong)而提(ti)高抗(kang)幹擾(rao)能力(li);而由(you)于信(xin)号質(zhi)量、對(dui)采樣(yang)信号(hao)加窗(chuang)FFT非整(zheng)周期(qi)采樣(yang)等原(yuan)因,導(dao)緻FFT計(ji)算幅(fu)值會(hui)有波(bo)動。當(dang)流量(liang)在流(liu)量計(ji)下限(xian)附近(jin)時,會(hui)出現(xian)FFT計算(suan)幅值(zhi)低于(yu)最小(xiao)截止(zhi)幅值(zhi)的情(qing)況,這(zhe)将導(dao)緻流(liu)量計(ji)輸出(chu)出現(xian)斷續(xu)現象(xiang)。
　　流量(liang)計斷(duan)續問(wen)題主(zhu)要是(shi)由于(yu)偶爾(er)幾次(ci)的FFT計(ji)算幅(fu)值低(di)于最(zui)小截(jie)止幅(fu)值所(suo)緻。通(tong)過實(shi)驗發(fa)現，在(zai)流量(liang)計可(ke)測流(liu)量範(fan)圍内(nei)-般不(bu)會出(chu)現連(lian)續幾(ji)次FFT計(ji)算幅(fu)值均(jun)小于(yu)最小(xiao)截止(zhi)幅值(zhi)的情(qing)況，所(suo)以在(zai)碰到(dao)FFT計算(suan)幅值(zhi)低于(yu)最小(xiao)截止(zhi)幅值(zhi)時不(bu)是直(zhi)接輸(shu)出0,而(er)是将(jiang)0放入(ru)隊列(lie)Q1。在計(ji)算平(ping)均頻(pin)率以(yi)前先(xian)對隊(dui)列Q1中(zhong)最近(jin)的N(N可(ke)取3~4)個(ge)值進(jin)行判(pan)斷,如(ru)果N個(ge)值，全(quan)部爲(wei)0,則流(liu)量計(ji)輸出(chu)爲0,否(fou)則繼(ji)續做(zuo)平均(jun)計算(suan),将平(ping)均值(zhi)作爲(wei)流量(liang)計的(de)輸出(chu)頻率(lü),這樣(yang)就可(ke)以解(jie)決輸(shu)出斷(duan)續的(de)問題(ti)。
2.2解決(jue)輸出(chu)信号(hao)的波(bo)動問(wen)題
　　在(zai)小流(liu)量的(de)時候(hou)渦街(jie)流量(liang)計信(xin)号微(wei)弱,信(xin)噪比(bi)降低(di),信号(hao)質量(liang)比較(jiao)差,頻(pin)譜分(fen)析得(de)到的(de)渦街(jie)頻率(lü)波動(dong)比較(jiao)大。特(te)别是(shi)小口(kou)徑渦(wo)街流(liu)量計(ji)，由于(yu)傳感(gan)器安(an)裝等(deng)原因(yin),這種(zhong)現象(xiang)更爲(wei)明顯(xian)。圖4中(zhong),曲線(xian)1爲15口(kou)徑渦(wo)街流(liu)量計(ji)在下(xia)限頻(pin)率附(fu)近,每(mei)次FFT計(ji)算得(de)到的(de)渦街(jie)頻率(lü);曲線(xian)2爲40口(kou)徑離(li)下限(xian)頻率(lü)比較(jiao)遠時(shi)每次(ci)FFT計算(suan)後得(de)到的(de)渦街(jie)頻率(lü)。可見(jian)，曲線(xian)1波動(dong)較大(da)，數值(zhi)約爲(wei)30Hz。此時(shi),即便(bian)采取(qu)平均(jun)措施(shi),也無(wu)法使(shi)輸出(chu)頻率(lü)值穩(wen)定。
 
　　波(bo)動問(wen)題主(zhu)要是(shi)由于(yu)信号(hao)較差(cha),每次(ci)FFT計算(suan)出的(de)頻率(lü)值偏(pian)差太(tai)大所(suo)造成(cheng)的。所(suo)以,首(shou)先必(bi)須保(bao)證隊(dui)列Q1中(zhong)的所(suo)有頻(pin)率值(zhi)在可(ke)信範(fan)圍内(nei),即在(zai)流量(liang)沒有(you)突變(bian)的情(qing)況下(xia),隊列(lie)Q1中的(de)頻率(lü)值不(bu)能與(yu)前次(ci)輸出(chu)頻率(lü)差得(de)太多(duo)。爲此(ci)，可以(yi)設置(zhi)一個(ge)頻率(lü)允許(xu)跳動(dong)範圍(wei)的限(xian)幅值(zhi)。當計(ji)算的(de)頻率(lü)值超(chao)出範(fan)圍時(shi),不是(shi)簡單(dan)地将(jiang)這個(ge)值去(qu)掉,而(er)是用(yong)最近(jin)一次(ci)的輸(shu)出頻(pin)率加(jia)上限(xian)幅值(zhi)來代(dai)替這(zhe)個值(zhi)。這在(zai)某種(zhong)程度(du)上能(neng)保留(liu)反映(ying)流量(liang)變化(hua)趨勢(shi)的部(bu)分信(xin)息。通(tong)過實(shi)驗發(fa)現,可(ke)以根(gen)據fre__limit來(lai)設置(zhi)這個(ge)限幅(fu)值。
處(chu)理波(bo)動問(wen)題的(de)具體(ti)步驟(zhou)爲:
①對(dui)隊列(lie)Q,的第(di)N個元(yuan)素Q1[N]用(yong)式(3)處(chu)理,得(de)到數(shu)值ƒin爲(wei):
 
　　式中(zhong):ƒin爲處(chu)理後(hou)隊列(lie)Q1[N]中的(de)頻率(lü)值;f。爲(wei)處理(li)前隊(dui)列Q1N]中(zhong)的頻(pin)率值(zhi),即原(yuan)先FFT計(ji)算出(chu)來的(de)頻率(lü)值;f,爲(wei)流量(liang)計最(zui)近--次(ci)輸出(chu)的頻(pin)率值(zhi);c爲常(chang)數,可(ke)以根(gen)據實(shi)際情(qing)況選(xuan)取,實(shi)驗中(zhong)取1。需(xu)要注(zhu)意的(de)是,這(zhe)裏是(shi)對Q1[N]處(chu)理,而(er)不是(shi)對隊(dui)首元(yuan)素Q1[1]處(chu)理。原(yuan)因是(shi),Q1[1]~Q1[N-1]中的(de)信息(xi)會反(fan)映流(liu)量的(de)突變(bian),如果(guo)對其(qi)進行(hang)限幅(fu)處理(li),會影(ying)響系(xi)統的(de)響應(ying)速度(du)。
②對隊(dui)列Q1中(zhong)的值(zhi)進行(hang)去N-1次(ci)最大(da)、最小(xiao)值處(chu)理,算(suan)出均(jun)值μ,根(gen)據均(jun)值算(suan)出标(biao)準差(cha)σ,然後(hou),再利(li)用标(biao)準差(cha)對隊(dui)列Q1中(zhong)的值(zhi)進行(hang)平均(jun)。而超(chao)出标(biao)準差(cha)的數(shu)據不(bu)參加(jia)平均(jun)。
③經過(guo)以上(shang)處理(li)後得(de)到的(de)頻率(lü)已經(jing)比較(jiao)穩定(ding),但仍(reng)有一(yi)定範(fan)圍的(de)波動(dong)。如果(guo)流量(liang)是穩(wen)定的(de)話,流(liu)量計(ji)輸出(chu)應該(gai)接近(jin)穩定(ding),波動(dong)比較(jiao)小。因(yin)此,可(ke)以考(kao)慮對(dui)計算(suan)頻率(lü)值進(jin)行第(di)二次(ci)平均(jun),相當(dang)于進(jin)行二(er)次濾(lü)波。爲(wei)此,建(jian)立另(ling)一個(ge)隊列(lie)Q2。隊列(lie)Q2中的(de)元素(su)是隊(dui)列Q;經(jing)過上(shang)述步(bu)驟處(chu)理後(hou)的結(jie)果;再(zai)對隊(dui)列Q2進(jin)行平(ping)均計(ji)算,得(de)到的(de)均值(zhi)作爲(wei)流量(liang)計的(de)輸出(chu)。注意(yi),這裏(li)對隊(dui)列Q2也(ye)要進(jin)行加(jia)速處(chu)理,方(fang)法與(yu)處理(li)Q1的類(lei)似。圖(tu)5所示(shi)爲經(jing)過處(chu)理以(yi)後渦(wo)街流(liu)量計(ji)的輸(shu)出，從(cong)圖中(zhong)可以(yi)看出(chu)流量(liang)計輸(shu)出已(yi)經比(bi)較平(ping)穩。
 
3結(jie)束語(yu)
　　根據(ju)頻譜(pu)分析(xi)後的(de)結果(guo),采用(yong)設置(zhi)門限(xian)值的(de)方法(fa)對流(liu)量計(ji)輸出(chu)進行(hang)加速(su)處理(li),并分(fen)析了(le)加速(su)處理(li)方法(fa)的誤(wu)差,有(you)效地(di)提高(gao)了流(liu)量計(ji)的響(xiang)應速(su)度降(jiang)低了(le)調節(jie)時間(jian)内由(you)于響(xiang)應慢(man)造成(cheng)的誤(wu)差。
　　對(dui)頻譜(pu)分析(xi)後的(de)結果(guo)進行(hang)0值判(pan)斷,連(lian)續幾(ji)次爲(wei)0,流量(liang)計輸(shu)出才(cai)爲0,消(xiao)除了(le)流量(liang)計在(zai)可測(ce)流量(liang)下限(xian).時輸(shu)出斷(duan)續現(xian)象。
　　在(zai)對頻(pin)譜分(fen)析後(hou)的結(jie)果平(ping)均前(qian)采取(qu)了限(xian)幅、去(qu)掉超(chao)過标(biao)準差(cha)以外(wai)的值(zhi)和去(qu)掉最(zui)大值(zhi)最小(xiao)值的(de)操作(zuo),并對(dui)平均(jun)後的(de)結果(guo)進行(hang)第二(er)次平(ping)均,減(jian)小了(le)流量(liang)計輸(shu)出信(xin)号的(de)波動(dong),提高(gao)了流(liu)量計(ji)輸出(chu)的穩(wen)定性(xing)。

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