摘要：流(liú)量是(shì)科研和生産實(shí)踐中經常(cháng)需要測量和控制的過(guò)程參數之一(yī)，其(qí)測量的準确程度直接(jiē)關系到生産質(zhì)量、效率、經濟指(zhǐ)标和科研工作的成(chéng)敗。傳感器(qì)輸出信(xìn)号(hào)中包(bāo)含着周期性(xìng)的(de)流量信(xìn)号，但同(tóng)時也包含着各(gè)種噪聲。通過對(duì)傳感(gǎn)器的輸出(chū)信号采用(yòng)具有(yǒu)功率譜分(fèn)析功能的快速傅利(lì)葉變(biàn)換算法進(jìn)行離散分(fèn)析，計(jì)算出反映流量(liàng)速率的信(xìn)号頻(pín)率。通過改變采(cǎi)樣頻率(lǜ)和(hé)頻譜(pǔ)校正方法，提高(gāo)測量系統(tǒng)的精(jīng)度并獲得精确(què)的流量(liàng)。
1．引言
　　流(liú)體單位(wèi)時間内(nèi)流過(guò)管(guǎn)道(dào)或設(shè)備某(mǒu)橫截面(miàn)處(chù)的數量稱爲流量。
　　随着19世(shì)紀末(mò)城市(shì)供水(shuǐ)系統和管道燃(rán)氣的(de)建設，出現了葉輪式水表(biǎo)、膜（皮(pí)囊）式煤氣表、文(wén)丘裏管差(chà)壓式(shì)流量計等(děng)流量(liàng)儀表(biǎo)，20世紀二三(sān)十年代(dài)又出現了孔闆(pǎn)和噴嘴(zuǐ)節流(liú)的 差(chà)壓式流量(liàng)計 、 浮(fú)（轉）子(zǐ)流量計(jì) 和容積式流(liú)量計等基(jī)于力學原(yuán)理的機械(xiè)式(shì)流量儀(yí)表[1]。進入40年(nián)代以(yǐ)流程工業和城(chéng)市公用事(shì)業爲(wèi)先導的(de)工(gōng)業社(shè)會，大(dà)量使用流量儀(yí)表并提出(chū)各種要求，促使(shǐ)不同(tóng)測(cè)量(liàng)原理(lǐ)的新穎流量儀表問(wèn)世和發展(zhǎn)并進入工業應(yīng)用。例如(rú)：電學原(yuán)理的電(diàn)磁流量(liàng)計（50年代(dài)）、靜電場(chǎng)流量計（60、70年代）;聲(shēng)學原理的超聲(shēng)流量計（70、80年(nián)代(dài)）;熱學原(yuán)理的熱式(shì)質量流(liú)量計（60年(nián)代）;光學原理的(de)激光流量(liàng)計（70年代）;力(lì)學(xué)原(yuán)理的(de)流體振(zhèn)動流量(liàng)計（渦(wō)街(jiē)流(liú)量計 、旋渦進動流量計、射流流量計(jì)，60、70年代）;利用(yòng)科裏(lǐ)奧利原理(lǐ)的質(zhì)量流量計（80年代）等。90年代以後，雖(suī)然在國際流量(liàng)測量學術會議見到一(yī)些新測(cè)量原理(lǐ)儀表的(de)論文[19]，但很(hěn)少見(jiàn)到能達到工業(yè)實用階(jiē)段的流量儀表投(tóu)入市(shì)場，推入市場的新型号(hào)儀表隻(zhī)是在原測(cè)量原(yuán)理的(de)基礎(chǔ)上(shàng)改進，擴展應(yīng)用領(lǐng)域，提高(gāo)性(xìng)能和(hé)增加(jiā)功能(néng)。[3]随着工(gōng)業生産的自(zì)動化、管道化的發展(zhǎn)，流量儀表(biǎo)在整個(gè)儀(yí)表生産中(zhōng)所占比重越來(lái)越大(dà)[4]。據國(guó)内外(wài)資料表明(míng)，在不同(tóng)的(de)工業(yè)部門(mén)中所使用(yòng)的流量儀(yí)表占(zhàn)整(zhěng)個儀(yí)表總數(shù)的15%～30%[5]。
2．基于渦街流(liú)量計的信号處(chù)理研究
　　數字信号處(chù)理（digitalsignalprocessing）是一門(mén)涉及許(xǔ)多學科(kē)而又廣泛(fàn)應用(yòng)于許多領域的新興學科(kē)。數字(zì)信号(hào)處理就是(shì)用數(shù)學的方法(fǎ)，對信号的波(bō)形(xíng)進行變(biàn)換。這通(tōng)常是将一個信(xìn)号變換成(chéng)在某(mǒu)種意義上比原(yuán)始信(xìn)号更(gèng)符合(hé)要求的(de)另一種信号形式[6]。例如(rú)，可以(yǐ)涉及一些(xiē)變換(huàn)以(yǐ)分立兩(liǎng)個或多個(gè)已(yǐ)經(jīng)按某(mǒu)種方式結合在一(yī)起的信(xìn)号;也(yě)可增強一(yī)個(gè)信号的(de)某一(yī)分量(liàng)或參(cān)數;或者是估(gū)算新号(hào)的一(yī)個或幾個(gè)參數[7]。
　　數字信号(hào)處理包括兩個(gè)方面的内容(róng)：數(shù)字信号處(chù)理方(fāng)法理(lǐ)論和數字(zì)信号(hào)處理設備(bèi)。這(zhè)兩個方面，一個提供方法原理，一個提(tí)供實(shí)現手段(duàn)，相輔相(xiàng)成，缺一不可。在(zài)數(shù)字信号處理(lǐ)領域(yù)中(zhōng)，離散(sàn)時間線形非(fēi)時變系統理論和離散傅(fù)裏(lǐ)葉變換(huàn)是整(zhěng)個領域的(de)理論(lùn)基礎，數字(zì)濾波和(hé)頻(pín)譜分(fèn)析是(shì)數字信号(hào)處理的基(jī)本内容(róng)，二維信号處(chù)理是正在發展的比(bǐ)較新的領(lǐng)域，數(shù)字(zì)濾波及頻譜分析也有新的内容和發(fā)展[8]。20世紀60年代以(yǐ)來，随(suí)着計算機(jī)和信息技(jì)術的(de)飛速(sù)發展(zhǎn)，數字(zì)信号處理技術(shù)應運而生(shēng)并(bìng)得(dé)到迅速(sù)發展。雖(suī)然數字信号處(chù)理的(de)理論發展迅速，但在(zài)20世紀(jì)80年代(dài)以前(qián)，由于(yú)數字信(xìn)号(hào)處理設備(bèi)和(hé)實現方(fāng)法的限制，數字(zì)信号處理的理(lǐ)論還(hái)得不(bú)到非(fēi)常廣泛的(de)應用(yòng)[9]。
　　科學技術(shù)的蓬(péng)勃發(fā)展，爲(wèi)數字(zì)信号(hào)處(chù)理學科(kē)的前進(jìn)開(kāi)辟了(le)道路。數字信号處理開始與大(dà)規模(mó)和超(chāo)大規(guī)模集(jí)成電路技(jì)術、微處理技術(shù)、高速(sù)數字算術(shù)單元、雙極型高(gāo)密度半導(dǎo)體存儲器、電荷轉移(yí)器件(jiàn)等新技術(shù)新工(gōng)藝(yì)結合起(qǐ)來，特(tè)别是微處(chù)理器(qì)技術(shù)的迅(xùn)速發展和計算(suàn)機輔(fǔ)助設計方(fāng)法的(de)引(yǐn)進(jìn)使得數字(zì)信(xìn)号(hào)處理技術能夠實現(xiàn)并(bìng)在檢(jiǎn)測、控制(zhì)領域發(fā)揮極(jí)其重要(yào)的(de)作(zuò)用，在日常生活中的(de)作用(yòng)也越來越(yuè)大[10]。
2.1數(shù)字信号處(chù)理方法
　　渦(wō)街流(liú)量傳感器的原(yuán)始輸出爲夾雜大量噪聲(shēng)的類(lèi)正弦信(xìn)号，采用數字(zì)信号處(chù)理(lǐ)方法将(jiāng)時域信(xìn)号轉(zhuǎn)換爲頻域(yù)信号(hào)，從(cóng)而(ér)測量(liàng)得到流(liú)速信号(hào)頻率(lǜ)并通過換(huàn)算得到流體體(tǐ)積流量信息和(hé)質量(liàng)流量信息(xī)[11]。
　　在(zài)渦街流(liú)量計(jì)中存在且亟待(dài)解決(jué)的問(wèn)題是(shì)量程下(xià)限的限(xiàn)制，不能準确測(cè)量低流(liú)速信号(hào)實現量程(chéng)比的(de)提高(gāo)。渦街流量(liàng)傳感器采(cǎi)集回來的信(xìn)号中摻雜着許多幹擾(rǎo)信号，特别是低(dī)流速時幹擾信(xìn)号非常大，甚至(zhì)将流速信(xìn)号淹(yān)沒(méi)其中，這就是(shì)小流(liú)量(liàng)時不能準确測(cè)量(liàng)的主(zhǔ)要原因(yīn)之(zhī)一[12]。選(xuǎn)用适(shì)當的(de)數字(zì)信号處理(lǐ)方法(fǎ)去除信(xìn)号中噪聲的幹擾(rǎo)，最大(dà)程度的(de)複現流(liú)速信号，是(shì)進行數(shù)字信号(hào)處理(lǐ)的主要任務。
主(zhǔ)要讨論應用以(yǐ)下兩種(zhǒng)方法：
1)利(lì)用數(shù)字濾波器(qì)對(duì)混有幹(gàn)擾的(de)信号進行濾(lǜ)波(bō)，複現原來(lái)的流(liú)速信号(hào)。
2)進行頻(pín)域分(fèn)析，采用fft算(suàn)法，将時域(yù)信号(hào)變換到頻域(yù)進行譜(pǔ)分析，得到(dào)流速(sù)結(jié)果(guǒ)[13]。
2.1.1數字(zì)濾波器(qì)
　　數字濾波器是指完成(chéng)信号濾波(bō)處理(lǐ)功能的，用(yòng)有限精度算法(fǎ)實現(xiàn)的離(lí)散時(shí)間線(xiàn)性非時變(biàn)系統(tǒng)，其輸入是一(yī)組(zǔ)（由模(mó)拟信(xìn)号取(qǔ)樣和(hé)量(liàng)化的）數字量(liàng)，其輸出是(shì)經過(guò)變化（或說(shuō)處理）另一組數(shù)字量。它既(jì)可以(yǐ)用數字(zì)硬件裝(zhuāng)配成(chéng)的一台完(wán)成給定運算的(de)專用數(shù)字計算(suàn)機，也可以将所需要的運算編(biān)成程序(xù)，讓(ràng)通用計算機來(lái)執行(háng)。特定(dìng)數(shù)字濾波(bō)器具(jù)有(yǒu)穩定性高、精度(dù)高(gāo)、靈活(huó)性大等優點。随(suí)着數字技術的(de)發展，用(yòng)數字技(jì)術實(shí)現濾波器(qì)的功(gōng)能越來越(yuè)受到(dào)人們的注(zhù)意(yì)和廣(guǎng)泛應用(yòng)[14]。
　　數字(zì)濾波器(qì)從(cóng)功能上(shàng)分(fèn)類：可分爲低(dī)通(tōng)濾波(bō)器、高(gāo)通(tōng)濾(lǜ)波器、帶通濾波器、帶(dài)阻濾(lǜ)波器。從濾(lǜ)波器(qì)的(de)網絡結(jié)構或者(zhě)從單位脈沖(chòng)響應分類(lèi)：可分爲(wèi)iir濾波器（即無限長單位(wèi)沖激響應(yīng)濾波(bō)器）和(hé)fir濾波(bō)器（即(jí)有限長單(dān)位沖(chòng)激響(xiǎng)應濾波器(qì)）。其傳(chuán)遞函數h(z)分(fèn)别爲：

　　這(zhè)兩(liǎng)類濾(lǜ)波器無論在性(xìng)能上還是(shì)在設(shè)計方法(fǎ)上都有(yǒu)着很大的區(qū)别(bié)。fir濾波器可(kě)以對(duì)給定的頻率特(tè)性直接進行設計，而iir濾(lǜ)波器目(mù)前最(zuì)通用的方法是(shì)利(lì)用已經(jīng)很成熟(shú)的模拟(nǐ)濾波(bō)器的設計(jì)方(fāng)法來進(jìn)行設(shè)計的[15]。
iir濾(lǜ)波器，即無限長單位沖(chòng)激響應濾波器(qì)，有以下特點：
1)單位(wèi)長沖(chòng)激響應(yīng)h(n)是無限長(zhǎng)的(de);
2)系(xì)統函數h(z)在有限(xiàn)z平面(0<z<∞)上有(yǒu)極點(diǎn)存在;
3)結(jié)構上存(cún)在輸出到(dào)輸入的反(fǎn)饋(kuì)，也就(jiù)是(shì)結構上是遞歸型的。
fir濾波器，即(jí)有限長單(dān)位沖(chòng)激響(xiǎng)應濾(lǜ)波器(qì)，有以下特(tè)點：
1)單(dān)位沖激響(xiǎng)應h(z)在(zài)有限個n處值不爲零(líng);
2)系(xì)統(tǒng)函數(shù)h(z)在z>0處收斂(liǎn)，極點(diǎn)全部在z=0處（因果(guǒ)系統）;
3)結構上主要是(shì)非(fēi)遞歸結構，但(dàn)結構中也(yě)含有(yǒu)反饋的遞(dì)歸部(bù)分。
2.1.2利(lì)用fft算(suàn)法進行數(shù)字處理
　　在數(shù)字信号處理中，最常用(yòng)的變換方(fāng)法是離散傅立葉(dft)，它(tā)在數學解(jiě)析方面與傅(fù)立(lì)葉變(biàn)換(ft)有(yǒu)着相似的作用(yòng)和性質，因(yīn)而在離散信号(hào)分析(xī)與數字系(xì)統的(de)信(xìn)号處理(lǐ)中占有極其重(zhòng)要的地位(wèi)。它不(bú)僅建立了離散(sàn)時域與離(lí)散頻(pín)域之(zhī)間的聯系，而且(qiě)由于(yú)離散(sàn)傅立(lì)葉變換存(cún)在周期(qī)性，它還兼有連(lián)續時域(yù)中傅立(lì)葉(yè)級數(shù)的作用，與離散(sàn)傅立(lì)葉級數(dfs)有(yǒu)着密切聯系(xì)[16]。因(yīn)直接計算dft的計(jì)算量與(yǔ)變換區(qū)間長(zhǎng)度(dù)n的平方成正(zhèng)比，當n較大(dà)時，計算(suàn)量太大(dà)。所以(yǐ)在快(kuài)速傅立葉變換出現(xiàn)以前，直(zhí)接用dft算(suàn)法(fǎ)進行(háng)譜分析(xī)和信(xìn)号的(de)實(shí)時處理時不(bú)切實(shí)際的(de)[17]。
　　1965年，j.w.tuky和t.w.cooly在《計(jì)算數學》（math.computation,vol.19.1965）雜志上發表了(le)著名的(de)“機器(qì)計算傅立(lì)葉級(jí)數的(de)一種(zhǒng)算法(fǎ)”，快(kuài)速算法(fǎ)的出(chū)現(xiàn)使dft算法與計算機(jī)上的(de)結合(hé)成爲了現(xiàn)實[2]。1976年winograd提出了建立在數(shù)論與近(jìn)代數學知(zhī)識之(zhī)上的(de)winograd快速傅立(lì)葉變換算法（wfta）。1984年，法國的和(hé)p.dohamel和h.hollmann提(tí)出了(le)更有(yǒu)效的(de)分裂(liè)基快速算(suàn)法(fǎ)。這些算法經(jīng)人們的改進，很快形成一(yī)套高(gāo)效的運(yùn)算方法，這就是(shì)現在的快速傅立葉變(biàn)換，簡稱fft(fastfouriertransform)。這(zhè)種算(suàn)法使dft的運(yùn)算效(xiào)率提高(gāo)1-2個(gè)數量(liàng)級[18]。
　　在(zài)渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計的(de)數字信号(hào)處理中，采用了基2-dit的fft算法。
　　各種fft算法(fǎ)可(kě)以分爲(wèi)兩大類：一類是(shì)針對n等于2的整(zhěng)數次幂(mì)的算(suàn)法(fǎ)，如基2算法、基4算(suàn)法、混合(hé)基算法和分裂基算法等;另一類是n不等于2的整數次(cì)幂的(de)算法，它就是以winograd爲(wèi)代表的一類算法（素因(yīn)子算(suàn)法，winograd算(suàn)法）[7]。
對(duì)有限任意序列可采(cǎi)用離散傅(fù)立葉變(biàn)換(huàn)（簡稱(chēng)dft），它是(shì)利用計算(suàn)機進行數值計(jì)算的變換(huàn)，并且(qiě)存在快速(sù)算法(fǎ)，從而使(shǐ)信(xìn)号的實時(shí)處(chù)理和設備的簡(jiǎn)化得以(yǐ)實現。
　　dft的物理意(yì)義是序(xù)列χ(n)的n點(diǎn)dft，是χ(n)的(de)z變(biàn)換(huàn)在單位圓(yuán)上(shàng)的(de)點等(děng)間隔采樣;x(k)爲χ(n)的(de)離散(sàn)時(shí)間傅立(lì)葉變換x(ejω)，在區間(jiān)上的(de)點(diǎn)等間隔(gé)采樣(yàng)。
dft的定義式爲：

　　由上式可以(yǐ)看出，要求出n點(diǎn)x(k)需要n2次複數乘(chéng)法，n(n-1)次(cì)複(fú)數(shù)加法。當n很(hěn)大時，其計(jì)算量相當可觀。這對(duì)于(yú)實時(shí)信号處理來(lái)說，必須對計(jì)算速度(dù)提出(chū)難(nán)以實現的要(yào)求。
　　如果能(néng)将一(yī)個長(zhǎng)點數的dft分(fèn)解成多個(gè)短點數(shù)dft的(de)進行實現(xiàn)，顯(xiǎn)然，由于(yú)n2的遞減率(lǜ)，運算量大大減少，另(lìng)外，旋轉因子mnw有(yǒu)着明(míng)顯(xiǎn)的周期(qī)性（周期爲n）和對稱性(xìng)。其周期性(xìng)表現爲(wèi)：

　　fft之所以(yǐ)使運算效(xiào)率提(tí)高就是利(lì)用nw的(de)對稱(chēng)性和周期(qī)性，把長序(xù)列的(de)dft逐級(jí)分解成幾個序(xù)列(liè)的(de)dft，以短(duǎn)點數實(shí)現(xiàn)長點(diǎn)數變(biàn)換。最(zuì)常見(jiàn)的fft算(suàn)法(fǎ)是cooley-tukey的基(jī)2時間抽取(qǔ)算法(fǎ)。
fft算法(fǎ)基(jī)本(běn)上可(kě)以分成(chéng)兩大類(lèi)：按時(shí)間抽取dit算(suàn)法(fǎ)和按(àn)頻(pín)率抽(chōu)取dif算(suàn)法。前者的(de)每一部(bù)分(fèn)都是按輸(shū)入(rù)序列在時間上的次序(xù)是偶數還是奇(qí)數分解爲(wèi)兩個(gè)更短的子(zǐ)序列(liè);後者則從(cóng)序列入手，把輸出序(xù)列按其順序是偶數(shù)還是(shì)奇數(shù)分解爲越(yuè)來越(yuè)短的(de)子序(xù)列。兩(liǎng)者的最終目的(de)都是使用叠代(dài)計算來(lái)簡(jiǎn)化(huà)運(yùn)算年，減少(shǎo)運算(suàn)量。下面簡要給(gěi)出算(suàn)法的實現(xiàn)原理和一(yī)般特點，具體的(de)推導和描述請(qǐng)參考(kǎo)相關(guān)的(de)資料[6]。
作(zuò)爲例子，給(gěi)出一個8點(diǎn)基(jī)2時間抽(chōu)取fft算法的信(xìn)号(hào)流圖。可以看出(chū)，數據的(de)流程中存在着大量的(de)蝶形運算單元。對于(yú)基2dit-fft算(suàn)法(fǎ)，蝶形運(yùn)算基本公式爲：

對于一個(gè)點輸(shū)入序列，基2算法有(yǒu)以(yǐ)下特(tè)點：運算級數12m=logm+，每組蝶形數爲(n/2m+1)?2m=n/2，其(qí)中m是級序(xù)數，有(yǒu)m=0,1,…,(m?1)

3．渦街流量計信(xìn)号處(chù)理系(xì)統硬(yìng)件實現
渦街(jiē)流量計中的壓電傳感器将所感受到的流量信(xìn)号轉(zhuǎn)換成(chéng)電信(xìn)号，經過電(diàn)荷放(fàng)大器(qì)、程控(kòng)放大(dà)器和抗(kàng)混(hùn)疊濾(lǜ)波器，送到a/d;a/d與dsp之(zhī)間的(de)通(tōng)信方式(shì)爲中(zhōng)斷方(fāng)式(shì)确(què)保采樣數(shù)據的(de)實時性(xìng)。采樣數(shù)據在中(zhōng)斷服務程序(xù)中送入dsp數(shù)據緩沖區(qū)。dsp采用fir濾波(bō)器(qì)和周期(qī)圖譜分析(xī)方法對采(cǎi)樣數(shù)據進(jìn)行濾波(bō)和(hé)譜分析;并(bìng)在(zài)多次功(gōng)率譜分(fèn)析的基(jī)礎上(shàng)，進(jìn)行平均(jun1)，确定出(chū)最大功率譜，得到它所(suǒ)對應的頻(pín)率(lǜ)，即(jí)爲信号中有用(yòng)信号(hào)的中(zhōng)心頻(pín)率。dsp定(dìng)時計算信(xìn)号(hào)頻率，再根據儀表參(cān)數和通(tōng)過溫度(dù)、壓(yā)力等(děng)補償，可以得到(dào)瞬時流量(liàng)值、流(liú)量信号頻率值(zhí)，進而(ér)得到流量等流(liú)量參(cān)數，送(sòng)入指定數據緩(huǎn)沖區，供(gòng)lcd顯示。也(yě)可以(yǐ)通(tōng)過累積計算，給出累積(jī)流量[20]。

　　渦街信号(hào)處理(lǐ)系統(tǒng)的硬(yìng)件主要由(yóu)：dsp核心控制電路tms320vc33、電荷(hé)放大電路、程控(kòng)放大電路、抗混(hùn)疊濾波電路、a/d轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據存(cún)儲電路、液晶顯(xiǎn)示電(diàn)路(lù)及輸入(rù)輸出電路(lù)等組(zǔ)成，結構如(rú)圖3-1所(suǒ)示。
4．總結
　　通過對(duì)渦街流量計信(xìn)号處理系統各(gè)個重(zhòng)要組成部(bù)分和(hé)最新成果(guǒ)的讨(tǎo)論，簡(jiǎn)明扼要的指(zhǐ)明了渦(wō)街流量計信号處理系統研究(jiū)方向(xiàng)和(hé)重要作(zuò)用。

以上内(nèi)容源于網(wǎng)絡，如有侵(qīn)權聯系即(jí)删除!