摘要:對(duì)基于(yú)譜分(fèn)析的數字(zì)式渦(wō)街流量(liàng)計(jì) 在應(yīng)用中響應速度比較慢及(jí)其在(zài)小(xiǎo)流量或(huò)小口徑時(shí)流量(liàng)計輸出(chū)波動兩(liǎng)個問題進(jìn)行了(le)深入分(fèn)析。采用(yòng)設置門(mén)限(xiàn)值的方法(fǎ)提高了系(xì)統響應速度。對(duì)頻譜分(fèn)析結果(guǒ)進行多次爲0判(pàn)斷,解決了(le)系統(tǒng)輸(shū)出(chū)斷續問題。通過(guò)對(duì)頻譜分析結果的(de)限幅(fú),在平均時(shí)去掉(diào)超過(guò)标準(zhǔn)差的(de)頻率(lǜ)值(zhí),并去掉(diào)最大值和最小值,對平(píng)均結果(guǒ)進行第二(èr)次平(píng)均的方法減小(xiǎo)了系統輸出的(de)波動(dòng),提(tí)高了流量計輸出穩定(dìng)性。
0引言(yán)
　　渦(wō)街流(liú)量計具有(yǒu)無可動部件維護方(fāng)便、壓力(lì)損(sǔn)失小(xiǎo)和輸出頻率量(liàng)等優點,可以測量液(yè)體、氣體和(hé)蒸汽流(liú)量,應用(yòng)相當廣泛。目前(qián)，渦街(jiē)流量計主(zhǔ)要有兩種處理(lǐ)方式,即脈(mò)沖整(zhěng)形計數方式和(hé)數字信(xìn)号處理(lǐ)方式。其(qí)中(zhōng),數字(zì)信号(hào)處理方式具有抗幹擾能(néng)力強、量(liàng)程(chéng)比較(jiào)寬和(hé)精度高(gāo)的(de)優點。基于(yú)譜分析的(de)渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計數字(zì)信号處理方(fāng)法,采用dsp(數(shù)字信号處(chù)理器(qì))芯片研制(zhì)了實(shí)時處(chù)理(lǐ)系統,通(tōng)過标定(dìng)并應用(yòng)于工業現場,取得了很好的效(xiào)果。在應(yīng)用中，針(zhēn)對數字(zì)式(shì)渦街(jiē)流量計(jì)響(xiǎng)應速(sù)度慢以(yǐ)及在小(xiǎo)流量(liàng)或者(zhě)小口(kǒu)徑時(shí)輸出信号(hào)波動問(wèn)題，進行了深(shēn)人(rén)的分析(xī),并提(tí)出了(le)有效(xiào)的解決(jué)方案(àn)。
1提(tí)高信号響(xiǎng)應的速度
　　采(cǎi)用頻譜(pǔ)估計方法(fǎ)分析(xī)渦街(jiē)信号的頻(pín)率是基(jī)于(yú)渦街(jiē)流量(liàng)計信号是(shì)一個平(píng)穩(wěn)随機(jī)過程(chéng)信号,并且(qiě)流量在(zài)短時間(jiān)内是(shì)穩(wěn)定的或(huò)變化很小(xiǎo)。由于(yú)渦街(jiē)流(liú)量計輸出信号實時性的要(yào)求,隻能對(duì)有限長時間段(duàn)内的(de)信号(hào)進.行(háng)處理,即(jí)隻能截取一段數(shù)據進(jìn)行頻譜(pǔ)分析。爲(wèi)了防止數據統(tǒng)計變異性(xìng)對計算渦(wō)街頻率的(de)影響(xiǎng),必(bì)須對若幹次頻譜(pǔ)分析(xī)的結(jié)果(guǒ)進行平(píng)均,這(zhè)就(jiù)需要花(huā)費時間(jiān)。當(dāng)平均次數(shù)多時，數字(zì)渦街流量計的響應(yīng)速度就會顯得比較慢。例如,我們的系統(tǒng)采用時(shí)鍾(zhōng)頻率(lǜ)爲(wèi)40mhz的(de)tms320lf2407adsp芯片，使用(yòng)彙編語言編制(zhì)fft程序(xù)計算渦街(jiē)信号的頻譜,對(duì)50次計(jì)算(suàn)結果進(jìn)行(háng)平均。每次fft計算時(shí)間(jiān)大概是300ms(包括(kuò)信号(hào)處理(lǐ),人機(jī)接(jiē)口等對(duì)應的(de)其他軟件執行(háng)時間),總用(yòng)時大概爲15s,這個(gè)時間比(bǐ)較(jiào)長。若在這段時(shí)間裏(lǐ),流量(liàng)發生突然變化，系統(tǒng)就需要計算(suàn)50次fft,才能(néng)反映流(liú)量的變化,這将(jiāng)造成測量誤差,如(rú)圖1所示(shì)。
 
　　在實際處理(lǐ)中,将每次頻譜(pǔ)分析後得到的(de)渦街頻(pín)率(lǜ)放人(rén)一個(gè)循環隊列(liè)中,該隊列稱爲(wèi)隊列q1,如圖2所(suǒ)示(shì)(數字表示(shì)隊列(liè)成員(yuán)序号)。其中,最右邊的(de)爲隊(duì)首q1,最左邊的爲(wèi)隊尾q1。再按先進(jìn)先出(chū)的(de)原(yuán)則對(duì)隊列中最新的若幹個值進行(háng)平均,得到(dào)渦街(jiē)輸出頻率。由于(yú)對隊列中的值(zhí)不加(jiā)判(pàn)斷而直(zhí)接參與平.均,導緻系(xì)統響應速(sù)度變慢。
 
　　爲此,通(tōng)過設置門(mén)限值(zhí)的方法來(lái)解決(jué)這個(gè)問(wèn)題。根據隊列q1中保存的(de)過去的流量信(xìn)息來設置(zhì)一個頻率(lǜ)突變門限(xiàn)frelimit,如果(guǒ)連續計算(suàn)出n個頻率值q1[n]~q1[1]都(dōu)超過了(le)fre._limit,則(zé)對這(zhè)n個頻(pín)率值和後(hòu)面進人(rén)隊(duì)列的(de)值進(jìn)行平均,而(ér)前面的值q1[n+1]~q1[50]不參(cān)加平(píng)均,n一般(bān)爲(wèi)3~5。理論上，門(mén)限fre_limit的(de)選擇越小對微(wēi)小突變就越敏感。但是,由于fft計(jì)算出(chū)來的(de)頻(pín)率(lǜ)會在(zài)--定範(fàn)圍内波動,所(suǒ)以,門限(xiàn)值不能選擇太(tài)小。另(lìng)外(wài)，由于小(xiǎo)的突(tū)變造成(chéng)的(de)誤差不會太大(dà),所以也(yě)沒必要(yào)将門限設(shè)置得(dé)很小(xiǎo)。
　　一般來說(shuō)，渦街(jiē)流量(liàng)計在(zài)小流(liú)量時(低頻(pín)處)頻率計算結(jié)果波(bō)動比較大(dà),而大流量(liàng)時(高(gāo)頻處)比較(jiào)穩定(dìng)。所以,門(mén)限(xiàn)值可以根(gēn)據渦(wō)街流(liú)量計所能(néng)測的(de)最低頻(pín)率來設(shè)置。由于流量(liàng)計(jì)的最高可(kě)測頻(pín)率是已(yǐ)知(zhī)的,而采樣(yàng)頻率一般(bān)設爲略大于最(zuì)高頻率(lǜ)的2倍,所(suǒ)以,門(mén)限值(zhí)可以根據式(1)來計算(suàn):
 
　　式中:ƒs爲采樣頻率(lǜ);Ɩ爲儀表量程(chéng)比;α(0<lαl<1)爲(wèi)系數(shù)。調整(zhěng)α可以調(diào)整門限值大小,α<0時爲下限;α>0時(shí)爲上(shàng)限。一般可以取±4%~±13%。
　　當流(liú)量突(tū)變不(bú)超(chāo)過(guò)門限時(shí),在(zài)流量(liàng)計調節時間内(nèi)累積(jī)流量(liàng)的最(zuì)大相對誤(wù)差爲(wèi):
 
　　式中:n(n》1)爲平均(jun1)次數;ƒp爲(wèi)突(tū)變(biàn)以前(qián)的頻率(lǜ);ƒr爲突變以後(hòu)的頻(pín)率。而當流(liú)量(liàng)突變超(chāo)過fre_limit時(shí),誤(wù)差會非(fēi)常小(xiǎo)。
　　實際(jì)流量(liàng)變化(huà)是一個連(lián)續變化的過程。但(dàn)是(shì),隻要(yào)流量(liàng)對應的信号頻率的(de)變化(huà)率超(chāo)過fre_limit/tc,其中tc爲(wèi)fft計算的間(jiān)隔時間，則(zé)系統就能快速(sù)響應(yīng);而流(liú)量對(duì)應的信号頻率(lǜ)的變化率小于(yú)fre_limit/tc.時,其(qí)最大相對誤差(chà)小于式(2)的(de)計算值(zhí)。
　　圖(tú)3爲經(jīng)過加(jiā)速處理後(hòu)40口徑渦(wō)街流量(liàng)計在流(liú)量突變時的響應曲線(xiàn)。可見(jiàn),在流量突(tū)變後(hòu),系(xì)統(tǒng)經過(guò)3次fft計(jì)算就能跟上流量的變化(huà),有效(xiào)地提高了(le)流量(liàng)計的響(xiǎng)應(yīng)速度(dù)。
 
2.1消除輸出信号的(de)斷續現象
　　頻(pín)譜分析法(fǎ)是按能量最大原則,即把fft計算(suàn)出來的功(gōng)率譜(pǔ)中能量(liàng)最大的(de)頻率值(zhí)作(zuò)爲渦街(jiē)頻(pín)率。但是,由(yóu)于幹擾的(de)存在,不得不設(shè)置一(yī)個最小(xiǎo)截止幅(fú)值(min_amp)來(lái)限(xiàn)制小幅(fú)值幹(gàn)擾(rǎo)信(xìn)号,即(jí)當fft計(jì)算幅(fú)值低(dī)于最小(xiǎo)截(jié)止幅值時(shí),流(liú)量計輸出爲(wèi)0,從而(ér)提高(gāo)抗(kàng)幹擾能力;而(ér)由于信号質量(liàng)、對采(cǎi)樣信(xìn)号加(jiā)窗fft非整周期采樣等(děng)原因,導緻(zhì)fft計算幅(fú)值(zhí)會有(yǒu)波動。當流量在流量計下(xià)限附近時(shí),會出(chū)現fft計(jì)算幅(fú)值(zhí)低于最(zuì)小(xiǎo)截(jié)止幅(fú)值的(de)情況,這(zhè)将(jiāng)導緻(zhì)流量計輸出出(chū)現斷續(xù)現(xiàn)象。
　　流量計(jì)斷(duàn)續問題(tí)主要是(shì)由于偶爾幾次的fft計算(suàn)幅值低于(yú)最小截止幅值(zhí)所緻。通過實(shí)驗發現(xiàn)，在流量計可測(cè)流量範(fàn)圍内-般不會出現連續幾次fft計算幅值(zhí)均小(xiǎo)于最小截(jié)止幅值的(de)情況(kuàng)，所以在碰到(dào)fft計(jì)算幅值低(dī)于最(zuì)小截止幅(fú)值時(shí)不是(shì)直接輸出0,而是将(jiāng)0放入隊(duì)列q1。在計算平均(jun1)頻率以前先對(duì)隊列(liè)q1中(zhōng)最近的(de)n(n可取(qǔ)3~4)個值(zhí)進行(háng)判斷(duàn),如果n個值，全部(bù)爲0,則流(liú)量(liàng)計輸出爲(wèi)0,否則繼續做(zuò)平均計(jì)算,将平均值作(zuò)爲流(liú)量計的輸(shū)出頻(pín)率,這(zhè)樣就(jiù)可以(yǐ)解決輸出(chū)斷續的問題。
2.2解決輸(shū)出信号的(de)波(bō)動問題
　　在小(xiǎo)流量(liàng)的時(shí)候渦(wō)街流量計(jì)信号(hào)微弱,信(xìn)噪比降(jiàng)低,信号質(zhì)量比(bǐ)較(jiào)差(chà),頻(pín)譜分析(xī)得到的渦街頻(pín)率波(bō)動比較大(dà)。特别是小口徑渦街(jiē)流量計，由于傳感器(qì)安裝等原因(yīn),這種(zhǒng)現(xiàn)象更爲明(míng)顯。圖(tú)4中,曲線(xiàn)1爲15口徑(jìng)渦街流量(liàng)計在下限頻率附近(jìn),每次(cì)fft計算得到的渦街頻率;曲(qǔ)線2爲40口徑離下(xià)限頻率比較遠(yuǎn)時每次(cì)fft計算後(hòu)得到(dào)的渦街頻(pín)率。可見(jiàn)，曲(qǔ)線1波動較(jiào)大，數值約爲30hz。此時,即便采(cǎi)取平均措施,也(yě)無法使輸(shū)出頻(pín)率值穩定(dìng)。
 
　　波動問題主要是由(yóu)于信(xìn)号(hào)較差,每(měi)次fft計算出的頻(pín)率值偏差太大(dà)所造成(chéng)的(de)。所以,首先必(bì)須保證(zhèng)隊列q1中的所有(yǒu)頻率(lǜ)值在可信(xìn)範圍内,即在(zài)流量沒有突(tū)變的(de)情況下,隊列q1中的頻(pín)率(lǜ)值(zhí)不能(néng)與前次輸出頻(pín)率差(chà)得太多。爲(wèi)此，可以設(shè)置一個頻率(lǜ)允許跳(tiào)動範(fàn)圍的限幅(fú)值。當計算的頻(pín)率值超出範圍(wéi)時,不(bú)是簡單地(dì)将這個值去掉(diào),而是用最(zuì)近一(yī)次的輸出頻率(lǜ)加上(shàng)限幅(fú)值來(lái)代替這個(gè)值。這在某(mǒu)種(zhǒng)程(chéng)度上(shàng)能保留反映流(liú)量變(biàn)化趨勢的(de)部分信(xìn)息。通過(guò)實驗發現(xiàn),可以(yǐ)根據fre__limit來(lái)設置這個限(xiàn)幅(fú)值。
處理(lǐ)波動問(wèn)題的具(jù)體步(bù)驟(zhòu)爲:
①對隊(duì)列q,的第n個元素q1[n]用式(shì)(3)處理,得到(dào)數值ƒin爲:
 
　　式中:ƒin爲處理後(hòu)隊列q1[n]中(zhōng)的頻率值;f。爲(wèi)處理前(qián)隊列q1n]中的(de)頻率值,即原先(xiān)fft計算(suàn)出來的頻(pín)率值;f,爲流量計最近--次輸出的(de)頻率值(zhí);c爲(wèi)常數,可以(yǐ)根據實際(jì)情況(kuàng)選取,實驗(yàn)中(zhōng)取(qǔ)1。需要注意(yì)的是,這裏是對(duì)q1[n]處理(lǐ),而不是對(duì)隊首(shǒu)元(yuán)素(sù)q1[1]處理。原因是,q1[1]~q1[n-1]中的信(xìn)息會反(fǎn)映流量(liàng)的突(tū)變(biàn),如果對(duì)其進行限(xiàn)幅處理,會(huì)影(yǐng)響系統的響(xiǎng)應速(sù)度。
②對(duì)隊列(liè)q1中的值進(jìn)行去n-1次最(zuì)大、最(zuì)小值處理,算出(chū)均值μ,根(gēn)據均值(zhí)算出标準(zhǔn)差σ,然(rán)後,再利(lì)用标準(zhǔn)差對隊列q1中的(de)值進行平(píng)均。而(ér)超出标(biāo)準差的(de)數據(jù)不參加平(píng)均。
③經(jīng)過以上處(chù)理後得到的頻率已(yǐ)經比(bǐ)較穩(wěn)定,但仍有一定範圍的(de)波動。如(rú)果流量是(shì)穩定(dìng)的話,流量計輸(shū)出應(yīng)該接近穩定,波動比較小(xiǎo)。因此,可(kě)以(yǐ)考慮(lǜ)對計算頻率值(zhí)進行(háng)第二(èr)次平(píng)均,相當于進行二次(cì)濾波(bō)。爲此(cǐ),建立另一個隊(duì)列q2。隊列(liè)q2中的元(yuán)素是隊(duì)列(liè)q;經(jīng)過(guò)上述步(bù)驟(zhòu)處理後的結果;再對(duì)隊列q2進行平均(jun1)計(jì)算,得到(dào)的均(jun1)值作爲流(liú)量計的輸出。注(zhù)意,這裏對隊(duì)列q2也要(yào)進行加速(sù)處理(lǐ),方法與處理q1的(de)類似(sì)。圖(tú)5所示爲(wèi)經過處理以後渦街(jiē)流量計的輸出，從圖中可(kě)以看出流量計(jì)輸出已經比較平穩(wěn)。
 
3結束語
　　根(gēn)據頻譜(pǔ)分(fèn)析後的結果,采(cǎi)用設置門(mén)限(xiàn)值的方(fāng)法對(duì)流(liú)量(liàng)計(jì)輸(shū)出進行(háng)加速處理,并分析了加(jiā)速處理(lǐ)方(fāng)法的(de)誤差(chà),有效地提(tí)高了流量計(jì)的(de)響應(yīng)速度降低(dī)了調節時(shí)間内(nèi)由于(yú)響應慢造(zào)成的誤差(chà)。
　　對頻譜分(fèn)析後的結果進行0值判斷(duàn),連續幾(jǐ)次爲0,流(liú)量計輸出才爲0,消除了流量計(jì)在可測流量下(xià)限.時輸(shū)出斷續(xù)現象。
　　在(zài)對頻譜分析後(hòu)的結果(guǒ)平(píng)均前(qián)采取了限幅(fú)、去掉(diào)超過(guò)标準差以(yǐ)外的(de)值和(hé)去掉最大值最小值的操作(zuò),并(bìng)對平均後(hòu)的結果進行第(dì)二次平均(jun1),減小(xiǎo)了流量計輸出信号(hào)的波動,提(tí)高了流量(liàng)計輸(shū)出的穩定性。

文章來源于網絡,如有侵權(quán)聯系即删(shān)除！