摘要:對基于(yu)譜分析的數字式(shì)渦街流量計 在應(ying)用中響應速度比(bǐ)較慢及其在小流(liu)量或小口徑時流(liu)量計輸出波動兩(liǎng)個問題進行了深(shēn)入分析。采用設置(zhi)門限值的方法提(ti)高了系統響應速(su)度。對頻譜分析結(jié)果進行多次爲0判(pàn)斷,解決了系統輸(shū)出斷續問題。通過(guo)對頻譜分析結果(guo)的限幅,在平均時(shi)去掉超過标準差(chà)的頻率值,并去掉(diào)最大值和最小值(zhi),對平均結果進行(hang)第二次平均的方(fang)法減小了系統輸(shu)出的波動,提高了(le)流量計輸出穩定(ding)性。
0引言
　　渦街流量(liang)計具有無可動部(bù)件維護方便、壓力(lì)損失小和輸出頻(pin)率量等優點,可以(yǐ)測量液體、氣體和(he)蒸汽流量,應用相(xiàng)當廣泛。目前，渦街(jie)流量計主要有兩(liang)種處理方式,即脈(mò)沖整形計數方式(shi)和數字信号處理(lǐ)方式。其中,數字信(xìn)号處理方式具有(yǒu)抗幹擾能力強、量(liang)程比較寬和精度(du)高的優點。基于譜(pu)分析的渦街流量(liang)計數字信号處理(lǐ)方法,采用DSP(數字信(xìn)号處理器)芯片研(yán)制了實時處理系(xì)統,通過标定并應(yīng)用于工業現場,取(qu)得了很好的效果(guǒ)。在應用中，針對數(shu)字式渦街流量計(ji)響應速度慢以及(jí)在小流量或者小(xiǎo)口徑時輸出信号(hao)波動問題，進行了(le)深人的分析,并提(tí)出了有效的解決(jué)方案。
1提高信号響(xiang)應的速度
　　采用頻(pin)譜估計方法分析(xi)渦街信号的頻率(lǜ)是基于渦街流量(liàng)計信号是一個平(ping)穩随機過程信号(hào),并且流量在短時(shí)間内是穩定的或(huò)變化很小。由于渦(wo)街流量計輸出信(xìn)号實時性的要求(qiú),隻能對有限長時(shí)間段内的信号進(jin).行處理,即隻能截(jie)取一段數據進行(hang)頻譜分析。爲了防(fang)止數據統計變異(yì)性對計算渦街頻(pin)率的影響,必須對(duì)若幹次頻譜分析(xī)的結果進行平均(jun1),這就需要花費時(shi)間。當平均次數多(duo)時，數字渦街流量(liang)計的響應速度就(jiù)會顯得比較慢。例(li)如,我們的系統采(cai)用時鍾頻率爲40MHz的(de)TMS320LF2407ADSP芯片，使用彙編語(yu)言編制FFT程序計算(suàn)渦街信号的頻譜(pu),對50次計算結果進(jìn)行平均。每次FFT計算(suàn)時間大概是300ms(包括(kuo)信号處理,人機接(jiē)口等對應的其他(tā)軟件執行時間),總(zong)用時大概爲15s,這個(ge)時間比較長。若在(zai)這段時間裏,流量(liang)發生突然變化，系(xì)統就需要計算50次(ci)FFT,才能反映流量的(de)變化,這将造成測(cè)量誤差,如圖1所示(shì)。
 
　　在實際處理中,将(jiang)每次頻譜分析後(hou)得到的渦街頻率(lü)放人一個循環隊(duì)列中,該隊列稱爲(wèi)隊列Q1,如圖2所示(數(shu)字表示隊列成員(yuán)序号)。其中,最右邊(biān)的爲隊首Q1,最左邊(biān)的爲隊尾Q1。再按先(xiān)進先出的原則對(dui)隊列中最新的若(ruò)幹個值進行平均(jun),得到渦街輸出頻(pin)率。由于對隊列中(zhong)的值不加判斷而(er)直接參與平.均,導(dao)緻系統響應速度(dù)變慢。
 
　　爲此,通過設(shè)置門限值的方法(fa)來解決這個問題(ti)。根據隊列Q1中保存(cún)的過去的流量信(xìn)息來設置一個頻(pin)率突變門限frelimit,如果(guǒ)連續計算出N個頻(pin)率值Q1[N]~Q1[1]都超過了fre._limit,則(ze)對這N個頻率值和(hé)後面進人隊列的(de)值進行平均,而前(qián)面的值Q1[N+1]~Q1[50]不參加平(píng)均,N一般爲3~5。理論上(shang)，門限fre_limit的選擇越小(xiao)對微小突變就越(yuè)敏感。但是,由于FFT計(jì)算出來的頻率會(huì)在--定範圍内波動(dong),所以,門限值不能(neng)選擇太小。另外，由(yóu)于小的突變造成(chéng)的誤差不會太大(dà),所以也沒必要将(jiang)門限設置得很小(xiao)。
　　一般來說，渦街流(liu)量計在小流量時(shi)(低頻處)頻率計算(suàn)結果波動比較大(da),而大流量時(高頻(pin)處)比較穩定。所以(yi),門限值可以根據(ju)渦街流量計所能(néng)測的最低頻率來(lai)設置。由于流量計(ji)的最高可測頻率(lü)是已知的,而采樣(yang)頻率一般設爲略(luè)大于最高頻率的(de)2倍,所以,門限值可(kě)以根據式(1)來計算(suàn):
 
　　式中:ƒs爲采樣頻率(lǜ);Ɩ爲儀表量程比;α(0<lαl<1)爲(wèi)系數。調整α可以調(diào)整門限值大小,α<0時(shi)爲下限;α>0時爲上限(xian)。一般可以取±4%~±13%。
　　當流(liú)量突變不超過門(men)限時,在流量計調(diào)節時間内累積流(liú)量的最大相對誤(wù)差爲:
 
　　式中:n(n》1)爲平均(jun)次數;ƒp爲突變以前(qian)的頻率;ƒr爲突變以(yi)後的頻率。而當流(liú)量突變超過fre_limit時,誤(wù)差會非常小。
　　實際(jì)流量變化是一個(ge)連續變化的過程(cheng)。但是,隻要流量對(duì)應的信号頻率的(de)變化率超過fre_limit/tc,其中(zhong)tc爲FFT計算的間隔時(shí)間，則系統就能快(kuai)速響應;而流量對(dui)應的信号頻率的(de)變化率小于fre_limit/tc.時,其(qi)最大相對誤差小(xiǎo)于式(2)的計算值。
　　圖(tú)3爲經過加速處理(li)後40口徑渦街流量(liang)計在流量突變時(shí)的響應曲線。可見(jian),在流量突變後,系(xì)統經過3次FFT計算就(jiù)能跟上流量的變(bian)化,有效地提高了(le)流量計的響應速(su)度。
 
2.1消除輸出信号(hao)的斷續現象
　　頻譜(pǔ)分析法是按能量(liàng)最大原則,即把FFT計(ji)算出來的功率譜(pu)中能量最大的頻(pin)率值作爲渦街頻(pin)率。但是,由于幹擾(rǎo)的存在,不得不設(shè)置一個最小截止(zhǐ)幅值(min_amp)來限制小幅(fu)值幹擾信号,即當(dang)FFT計算幅值低于最(zuì)小截止幅值時,流(liú)量計輸出爲0,從而(er)提高抗幹擾能力(li);而由于信号質量(liàng)、對采樣信号加窗(chuāng)FFT非整周期采樣等(děng)原因,導緻FFT計算幅(fu)值會有波動。當流(liu)量在流量計下限(xiàn)附近時,會出現FFT計(jì)算幅值低于最小(xiao)截止幅值的情況(kuàng),這将導緻流量計(ji)輸出出現斷續現(xiàn)象。
　　流量計斷續問(wèn)題主要是由于偶(ou)爾幾次的FFT計算幅(fu)值低于最小截止(zhǐ)幅值所緻。通過實(shi)驗發現，在流量計(ji)可測流量範圍内(nei)-般不會出現連續(xu)幾次FFT計算幅值均(jun1)小于最小截止幅(fú)值的情況，所以在(zài)碰到FFT計算幅值低(dī)于最小截止幅值(zhi)時不是直接輸出(chū)0,而是将0放入隊列(lie)Q1。在計算平均頻率(lǜ)以前先對隊列Q1中(zhōng)最近的N(N可取3~4)個值(zhí)進行判斷,如果N個(gè)值，全部爲0,則流量(liang)計輸出爲0,否則繼(jì)續做平均計算,将(jiāng)平均值作爲流量(liang)計的輸出頻率,這(zhe)樣就可以解決輸(shū)出斷續的問題。
2.2解(jiě)決輸出信号的波(bo)動問題
　　在小流量(liang)的時候渦街流量(liàng)計信号微弱,信噪(zao)比降低,信号質量(liang)比較差,頻譜分析(xi)得到的渦街頻率(lü)波動比較大。特别(bie)是小口徑渦街流(liú)量計，由于傳感器(qi)安裝等原因,這種(zhǒng)現象更爲明顯。圖(tú)4中,曲線1爲15口徑渦(wō)街流量計在下限(xian)頻率附近,每次FFT計(ji)算得到的渦街頻(pín)率;曲線2爲40口徑離(lí)下限頻率比較遠(yuǎn)時每次FFT計算後得(de)到的渦街頻率。可(kě)見，曲線1波動較大(dà)，數值約爲30Hz。此時,即(jí)便采取平均措施(shī),也無法使輸出頻(pin)率值穩定。
 
　　波動問(wen)題主要是由于信(xìn)号較差,每次FFT計算(suàn)出的頻率值偏差(chà)太大所造成的。所(suo)以,首先必須保證(zhèng)隊列Q1中的所有頻(pin)率值在可信範圍(wéi)内,即在流量沒有(you)突變的情況下,隊(dui)列Q1中的頻率值不(bú)能與前次輸出頻(pín)率差得太多。爲此(cǐ)，可以設置一個頻(pín)率允許跳動範圍(wéi)的限幅值。當計算(suàn)的頻率值超出範(fàn)圍時,不是簡單地(di)将這個值去掉,而(er)是用最近一次的(de)輸出頻率加上限(xiàn)幅值來代替這個(ge)值。這在某種程度(du)上能保留反映流(liu)量變化趨勢的部(bù)分信息。通過實驗(yàn)發現,可以根據fre__limit來(lái)設置這個限幅值(zhi)。
處理波動問題的(de)具體步驟爲:
①對隊(dui)列Q,的第N個元素Q1[N]用(yòng)式(3)處理,得到數值(zhí)ƒin爲:
 
　　式中:ƒin爲處理後(hou)隊列Q1[N]中的頻率值(zhi);f。爲處理前隊列Q1N]中(zhong)的頻率值,即原先(xiān)FFT計算出來的頻率(lü)值;f,爲流量計最近(jìn)--次輸出的頻率值(zhi);c爲常數,可以根據(jù)實際情況選取,實(shi)驗中取1。需要注意(yi)的是,這裏是對Q1[N]處(chù)理,而不是對隊首(shǒu)元素Q1[1]處理。原因是(shì),Q1[1]~Q1[N-1]中的信息會反映(yìng)流量的突變,如果(guǒ)對其進行限幅處(chù)理,會影響系統的(de)響應速度。
②對隊列(lie)Q1中的值進行去N-1次(cì)最大、最小值處理(lǐ),算出均值μ,根據均(jun1)值算出标準差σ,然(rán)後,再利用标準差(cha)對隊列Q1中的值進(jìn)行平均。而超出标(biāo)準差的數據不參(cān)加平均。
③經過以上(shang)處理後得到的頻(pín)率已經比較穩定(ding),但仍有一定範圍(wei)的波動。如果流量(liàng)是穩定的話,流量(liàng)計輸出應該接近(jin)穩定,波動比較小(xiǎo)。因此,可以考慮對(duì)計算頻率值進行(hang)第二次平均,相當(dāng)于進行二次濾波(bo)。爲此,建立另一個(ge)隊列Q2。隊列Q2中的元(yuán)素是隊列Q;經過上(shang)述步驟處理後的(de)結果;再對隊列Q2進(jìn)行平均計算,得到(dào)的均值作爲流量(liang)計的輸出。注意,這(zhè)裏對隊列Q2也要進(jìn)行加速處理,方法(fǎ)與處理Q1的類似。圖(tú)5所示爲經過處理(lǐ)以後渦街流量計(ji)的輸出，從圖中可(kě)以看出流量計輸(shū)出已經比較平穩(wěn)。
 
3結束語
　　根據頻譜(pǔ)分析後的結果,采(cai)用設置門限值的(de)方法對流量計輸(shu)出進行加速處理(li),并分析了加速處(chù)理方法的誤差,有(you)效地提高了流量(liàng)計的響應速度降(jiàng)低了調節時間内(nèi)由于響應慢造成(chéng)的誤差。
　　對頻譜分(fen)析後的結果進行(háng)0值判斷,連續幾次(cì)爲0,流量計輸出才(cái)爲0,消除了流量計(jì)在可測流量下限(xian).時輸出斷續現象(xiang)。
　　在對頻譜分析後(hòu)的結果平均前采(cǎi)取了限幅、去掉超(chao)過标準差以外的(de)值和去掉最大值(zhí)最小值的操作,并(bìng)對平均後的結果(guǒ)進行第二次平均(jun1),減小了流量計輸(shū)出信号的波動,提(ti)高了流量計輸出(chū)的穩定性。

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