摘要:對(duì)基于譜分析(xī)的數字式渦(wō)街流量計 在(zai)應用中響應(yīng)速度比較慢(màn)及其在小流(liú)量或小口徑(jìng)時流量計輸(shū)出波動兩個(gè)問題進行了(le)深入分析。采(cǎi)用設置門限(xiàn)值的方法提(tí)高了系統響(xiang)應速度。對頻(pin)譜分析結果(guǒ)進行多次爲(wei)0判斷,解決了(le)系統輸出斷(duan)續問題。通過(guo)對頻譜分析(xī)結果的限幅(fú),在平均時去(qu)掉超過标準(zhun)差的頻率值(zhí),并去掉最大(dà)值和最小值(zhí),對平均結果(guo)進行第二次(ci)平均的方法(fǎ)減小了系統(tǒng)輸出的波動(dòng),提高了流量(liang)計輸出穩定(ding)性。
0引言
　　渦街(jiē)流量計具有(you)無可動部件(jiàn)維護方便、壓(yā)力損失小和(hé)輸出頻率量(liang)等優點,可以(yǐ)測量液體、氣(qì)體和蒸汽流(liú)量,應用相當(dāng)廣泛。目前，渦(wō)街流量計主(zhǔ)要有兩種處(chu)理方式,即脈(mò)沖整形計數(shu)方式和數字(zì)信号處理方(fāng)式。其中,數字(zi)信号處理方(fang)式具有抗幹(gan)擾能力強、量(liang)程比較寬和(hé)精度高的優(yōu)點。基于譜分(fen)析的渦街流(liú)量計數字信(xìn)号處理方法(fǎ),采用DSP(數字信(xìn)号處理器)芯(xīn)片研制了實(shi)時處理系統(tǒng),通過标定并(bìng)應用于工業(ye)現場,取得了(le)很好的效果(guǒ)。在應用中，針(zhen)對數字式渦(wo)街流量計響(xiang)應速度慢以(yǐ)及在小流量(liang)或者小口徑(jìng)時輸出信号(hào)波動問題，進(jin)行了深人的(de)分析,并提出(chū)了有效的解(jie)決方案。
1提高(gāo)信号響應的(de)速度
　　采用頻(pin)譜估計方法(fǎ)分析渦街信(xin)号的頻率是(shì)基于渦街流(liu)量計信号是(shì)一個平穩随(sui)機過程信号(hao),并且流量在(zài)短時間内是(shi)穩定的或變(bian)化很小。由于(yú)渦街流量計(ji)輸出信号實(shi)時性的要求(qiú),隻能對有限(xiàn)長時間段内(nèi)的信号進.行(háng)處理,即隻能(néng)截取一段數(shu)據進行頻譜(pu)分析。爲了防(fang)止數據統計(ji)變異性對計(jì)算渦街頻率(lǜ)的影響,必須(xu)對若幹次頻(pin)譜分析的結(jié)果進行平均(jun1),這就需要花(hua)費時間。當平(ping)均次數多時(shí)，數字渦街流(liú)量計的響應(ying)速度就會顯(xian)得比較慢。例(lì)如,我們的系(xì)統采用時鍾(zhong)頻率爲40MHz的TMS320LF2407ADSP芯(xīn)片，使用彙編(biān)語言編制FFT程(chéng)序計算渦街(jie)信号的頻譜(pu),對50次計算結(jié)果進行平均(jun1)。每次FFT計算時(shi)間大概是300ms(包(bāo)括信号處理(lǐ),人機接口等(deng)對應的其他(tā)軟件執行時(shí)間),總用時大(da)概爲15s,這個時(shi)間比較長。若(ruò)在這段時間(jian)裏,流量發生(sheng)突然變化，系(xi)統就需要計(jì)算50次FFT,才能反(fan)映流量的變(biàn)化,這将造成(cheng)測量誤差,如(ru)圖1所示。
 
　　在實(shi)際處理中,将(jiāng)每次頻譜分(fen)析後得到的(de)渦街頻率放(fang)人一個循環(huan)隊列中,該隊(dui)列稱爲隊列(liè)Q1,如圖2所示(數(shu)字表示隊列(lie)成員序号)。其(qí)中,最右邊的(de)爲隊首Q1,最左(zuǒ)邊的爲隊尾(wei)Q1。再按先進先(xian)出的原則對(duì)隊列中最新(xin)的若幹個值(zhi)進行平均,得(de)到渦街輸出(chū)頻率。由于對(duì)隊列中的值(zhi)不加判斷而(er)直接參與平(ping).均,導緻系統(tǒng)響應速度變(biàn)慢。
 
　　爲此,通過(guo)設置門限值(zhi)的方法來解(jiě)決這個問題(ti)。根據隊列Q1中(zhōng)保存的過去(qu)的流量信息(xi)來設置一個(gè)頻率突變門(mén)限frelimit,如果連續(xù)計算出N個頻(pin)率值Q1[N]~Q1[1]都超過(guo)了fre._limit,則對這N個(gè)頻率值和後(hou)面進人隊列(liè)的值進行平(ping)均,而前面的(de)值Q1[N+1]~Q1[50]不參加平(ping)均,N一般爲3~5。理(li)論上，門限fre_limit的(de)選擇越小對(duì)微小突變就(jiù)越敏感。但是(shì),由于FFT計算出(chu)來的頻率會(huì)在--定範圍内(nèi)波動,所以,門(mén)限值不能選(xuǎn)擇太小。另外(wai)，由于小的突(tu)變造成的誤(wu)差不會太大(dà),所以也沒必(bì)要将門限設(she)置得很小。
　　一(yi)般來說，渦街(jie)流量計在小(xiǎo)流量時(低頻(pin)處)頻率計算(suàn)結果波動比(bi)較大,而大流(liú)量時(高頻處(chù))比較穩定。所(suǒ)以,門限值可(kě)以根據渦街(jie)流量計所能(neng)測的最低頻(pin)率來設置。由(yóu)于流量計的(de)最高可測頻(pín)率是已知的(de),而采樣頻率(lǜ)一般設爲略(lue)大于最高頻(pin)率的2倍,所以(yi),門限值可以(yǐ)根據式(1)來計(ji)算:
 
　　式中:ƒs爲采(cǎi)樣頻率;Ɩ爲儀(yi)表量程比;α(0<lαl<1)爲(wèi)系數。調整α可(ke)以調整門限(xian)值大小,α<0時爲(wei)下限;α>0時爲上(shàng)限。一般可以(yi)取±4%~±13%。
　　當流量突(tū)變不超過門(men)限時,在流量(liang)計調節時間(jiān)内累積流量(liang)的最大相對(duì)誤差爲:
 
　　式中(zhōng):n(n》1)爲平均次數(shù);ƒp爲突變以前(qian)的頻率;ƒr爲突(tu)變以後的頻(pín)率。而當流量(liang)突變超過fre_limit時(shí),誤差會非常(cháng)小。
　　實際流量(liang)變化是一個(ge)連續變化的(de)過程。但是,隻(zhī)要流量對應(ying)的信号頻率(lǜ)的變化率超(chāo)過fre_limit/tc,其中tc爲FFT計(ji)算的間隔時(shi)間，則系統就(jiù)能快速響應(yīng);而流量對應(ying)的信号頻率(lǜ)的變化率小(xiǎo)于fre_limit/tc.時,其最大(da)相對誤差小(xiao)于式(2)的計算(suàn)值。
　　圖3爲經過(guo)加速處理後(hou)40口徑渦街流(liú)量計在流量(liang)突變時的響(xiǎng)應曲線。可見(jiàn),在流量突變(biàn)後,系統經過(guo)3次FFT計算就能(néng)跟上流量的(de)變化,有效地(dì)提高了流量(liàng)計的響應速(sù)度。
 
2.1消除輸出(chū)信号的斷續(xu)現象
　　頻譜分(fen)析法是按能(neng)量最大原則(ze),即把FFT計算出(chu)來的功率譜(pu)中能量最大(dà)的頻率值作(zuo)爲渦街頻率(lǜ)。但是,由于幹(gàn)擾的存在,不(bu)得不設置一(yī)個最小截止(zhǐ)幅值(min_amp)來限制(zhì)小幅值幹擾(rao)信号,即當FFT計(jì)算幅值低于(yú)最小截止幅(fú)值時,流量計(ji)輸出爲0,從而(er)提高抗幹擾(rǎo)能力;而由于(yú)信号質量、對(duì)采樣信号加(jiā)窗FFT非整周期(qī)采樣等原因(yin),導緻FFT計算幅(fu)值會有波動(dòng)。當流量在流(liu)量計下限附(fù)近時,會出現(xian)FFT計算幅值低(di)于最小截止(zhi)幅值的情況(kuang),這将導緻流(liu)量計輸出出(chū)現斷續現象(xiàng)。
　　流量計斷續(xù)問題主要是(shi)由于偶爾幾(ji)次的FFT計算幅(fú)值低于最小(xiǎo)截止幅值所(suǒ)緻。通過實驗(yàn)發現，在流量(liàng)計可測流量(liàng)範圍内-般不(bu)會出現連續(xu)幾次FFT計算幅(fu)值均小于最(zuì)小截止幅值(zhi)的情況，所以(yi)在碰到FFT計算(suan)幅值低于最(zui)小截止幅值(zhi)時不是直接(jie)輸出0,而是将(jiang)0放入隊列Q1。在(zai)計算平均頻(pín)率以前先對(duì)隊列Q1中最近(jìn)的N(N可取3~4)個值(zhí)進行判斷,如(rú)果N個值，全部(bù)爲0,則流量計(ji)輸出爲0,否則(zé)繼續做平均(jun1)計算,将平均(jun1)值作爲流量(liang)計的輸出頻(pin)率,這樣就可(kě)以解決輸出(chū)斷續的問題(ti)。
2.2解決輸出信(xìn)号的波動問(wen)題
　　在小流量(liàng)的時候渦街(jie)流量計信号(hào)微弱,信噪比(bǐ)降低,信号質(zhì)量比較差,頻(pín)譜分析得到(dao)的渦街頻率(lü)波動比較大(dà)。特别是小口(kǒu)徑渦街流量(liàng)計，由于傳感(gan)器安裝等原(yuan)因,這種現象(xiang)更爲明顯。圖(tu)4中,曲線1爲15口(kou)徑渦街流量(liàng)計在下限頻(pín)率附近,每次(ci)FFT計算得到的(de)渦街頻率;曲(qu)線2爲40口徑離(li)下限頻率比(bǐ)較遠時每次(ci)FFT計算後得到(dao)的渦街頻率(lü)。可見，曲線1波(bo)動較大，數值(zhí)約爲30Hz。此時,即(ji)便采取平均(jun1)措施,也無法(fǎ)使輸出頻率(lü)值穩定。
 
　　波動(dòng)問題主要是(shi)由于信号較(jiao)差,每次FFT計算(suàn)出的頻率值(zhí)偏差太大所(suǒ)造成的。所以(yi),首先必須保(bao)證隊列Q1中的(de)所有頻率值(zhí)在可信範圍(wéi)内,即在流量(liàng)沒有突變的(de)情況下,隊列(lie)Q1中的頻率值(zhí)不能與前次(ci)輸出頻率差(chà)得太多。爲此(ci)，可以設置一(yi)個頻率允許(xǔ)跳動範圍的(de)限幅值。當計(ji)算的頻率值(zhí)超出範圍時(shi),不是簡單地(dì)将這個值去(qu)掉,而是用最(zui)近一次的輸(shu)出頻率加上(shàng)限幅值來代(dai)替這個值。這(zhe)在某種程度(du)上能保留反(fan)映流量變化(hua)趨勢的部分(fen)信息。通過實(shí)驗發現,可以(yǐ)根據fre__limit來設置(zhi)這個限幅值(zhi)。
處理波動問(wèn)題的具體步(bu)驟爲:
①對隊列(liè)Q,的第N個元素(sù)Q1[N]用式(3)處理,得(de)到數值ƒin爲:
 
　　式(shi)中:ƒin爲處理後(hòu)隊列Q1[N]中的頻(pin)率值;f。爲處理(lǐ)前隊列Q1N]中的(de)頻率值,即原(yuan)先FFT計算出來(lái)的頻率值;f,爲(wèi)流量計最近(jin)--次輸出的頻(pin)率值;c爲常數(shù),可以根據實(shí)際情況選取(qǔ),實驗中取1。需(xū)要注意的是(shi),這裏是對Q1[N]處(chu)理,而不是對(dui)隊首元素Q1[1]處(chù)理。原因是,Q1[1]~Q1[N-1]中(zhong)的信息會反(fǎn)映流量的突(tu)變,如果對其(qi)進行限幅處(chu)理,會影響系(xi)統的響應速(sù)度。
②對隊列Q1中(zhōng)的值進行去(qu)N-1次最大、最小(xiao)值處理,算出(chū)均值μ,根據均(jun1)值算出标準(zhǔn)差σ,然後,再利(li)用标準差對(duì)隊列Q1中的值(zhi)進行平均。而(ér)超出标準差(cha)的數據不參(can)加平均。
③經過(guo)以上處理後(hou)得到的頻率(lü)已經比較穩(wěn)定,但仍有一(yī)定範圍的波(bo)動。如果流量(liàng)是穩定的話(huà),流量計輸出(chu)應該接近穩(wěn)定,波動比較(jiào)小。因此,可以(yi)考慮對計算(suan)頻率值進行(háng)第二次平均(jun1),相當于進行(háng)二次濾波。爲(wèi)此,建立另一(yī)個隊列Q2。隊列(lie)Q2中的元素是(shì)隊列Q;經過上(shang)述步驟處理(li)後的結果;再(zai)對隊列Q2進行(háng)平均計算,得(de)到的均值作(zuò)爲流量計的(de)輸出。注意,這(zhè)裏對隊列Q2也(ye)要進行加速(sù)處理,方法與(yu)處理Q1的類似(si)。圖5所示爲經(jing)過處理以後(hou)渦街流量計(ji)的輸出，從圖(tú)中可以看出(chu)流量計輸出(chū)已經比較平(píng)穩。
 
3結束語
　　根(gēn)據頻譜分析(xi)後的結果,采(cai)用設置門限(xian)值的方法對(duì)流量計輸出(chu)進行加速處(chù)理,并分析了(le)加速處理方(fang)法的誤差,有(yǒu)效地提高了(le)流量計的響(xiang)應速度降低(di)了調節時間(jiān)内由于響應(ying)慢造成的誤(wu)差。
　　對頻譜分(fèn)析後的結果(guǒ)進行0值判斷(duàn),連續幾次爲(wèi)0,流量計輸出(chū)才爲0,消除了(le)流量計在可(ke)測流量下限(xian).時輸出斷續(xu)現象。
　　在對頻(pin)譜分析後的(de)結果平均前(qian)采取了限幅(fu)、去掉超過标(biao)準差以外的(de)值和去掉最(zui)大值最小值(zhi)的操作,并對(dui)平均後的結(jie)果進行第二(er)次平均,減小(xiǎo)了流量計輸(shū)出信号的波(bo)動,提高了流(liú)量計輸出的(de)穩定性。

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