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渦街流量計信號處理方法與系統的研究現狀2003年8月(2)

Rosement公司研制了以數字跟蹤濾波器(digitaltracking filter)為核心的渦街流量計數字信號處理系統[10],數字跟蹤濾波器由一系列具有不同截止頻率高低通濾波器組成,處理器根據渦街信號的特點,選擇合適的濾波器處理輸入信號。采用數字濾波器提高了流量測量和控制的可靠性和準確性。

Foxboro公司采用自適應濾波(adaptive filter)技術來提高流量測量的精度[11]。渦街傳感器的信號通過帶通濾波器進行處理,該帶通濾波器的截止頻率根據渦街信號的測量頻率動態調整,當測量頻率變化很小時,濾波器的轉折頻率設置為跟蹤信號頻率變化;當測量頻率變化比較大時,設置為搜索頻率模式,初始化濾波器,重新測量渦街頻率,這樣避免了濾波器跟蹤到噪聲頻率。

1.2 國內研究狀況

國內的專家學者也在不斷作出努力,采用先進的數字信號處理技術,解決應用上的關鍵問題。

重慶大學蒙建波等采用基于最小均方自適應算法建立流量信號的五階自回歸模型,計算其功率譜,從而確定主信號頻率[12]。由漩渦發生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機構成測量系統,驗證了譜分析方法用于渦街流量計信號處理的可行性。但是,沒有研究計算的精度、實時性和小型化等關鍵技術問題,沒有應用于實際的流量測量中。此外,我們的研究證明,這種方法對諧波干擾的抑制能力較差。

重慶工業自動化儀表研究所的專家和北京公用事業研究所的專家分別針對工業現場的電磁干擾、管道振動干擾和流場干擾,研究了渦街流量計在屏蔽、結構設計和安裝上的對策。同時認為,在電路和信號處理方面可以有效地抑制振動噪聲[13]。

長沙礦山研究院和浙江大學機電控制研究所從傳感器入手,研究提高渦街流量計抗振性能和擴展量程下限的途徑。

哈爾濱工業大學龔振起等將自適應處理方法應用于渦街流量計,采用線性預測譜估計法進行頻譜分析,獲得希望的信號頻率[14]。

合肥工業大學自動化研究所從上個世紀90年代起,開展了流量計的研究,將數字信號處理方法應用于渦街流量計中,并研制了以DSP為核心的處理系統。主要的數字信號處理方法有:

①基于FFT的經典譜分析方法[15]。直接用傅立葉變換對有限時間序列計算功率譜,求取信號頻率。該方法能有效抑制諧波干擾,但在非整周期采樣時,有較大的泄漏誤差,必須利用頻譜校正方法來提高測量精度。

②基于Burg算法的現代譜估計方法——最大熵譜法[16]。最大熵譜法先建立自回歸模型,再計算功率譜。采樣Burg算法,以正反向線性預測誤差能量的平方和最小為準則,來估計自回歸模型的系數。特別易于短序列的譜分析。

③自適應陷波抑制一個特定的頻率,并且不受位于帶寬以外的頻率影響。研究證明該方法在非整周期采樣、諧波和噪聲干擾情況下頻率測量都能達到較好精度,但存在不能準確測量幅值的問題。

④小波分析方法[18]。小波變換可以作為一組帶通濾波器,用來對渦街傳感器信號進行濾波,去除噪聲,以便準確提取頻率信息。采用緊支集二次樣條小波函數,利用小波變換的低通和帶通濾波特性,可以把原始信號中的不同頻率的信號成分分離出來。

⑤功率譜分析方法和互相相關方法。利用該方法解決強干擾條件下渦街流量計測量問題。其首先將頻率測量范圍分段,在不同頻段建立噪聲模板,然后用混合信號的功率譜與噪聲模板作互相關,提取噪聲,再利用插值法消除噪聲,最后對消除噪聲的信號進行頻譜分析,計算出頻率,利用頻譜校正法提高計算精度[19]。

⑥自適應濾波方法[20]。利用該方法準確測出傳感器輸出信號的頻率及在該頻率下的幅值,通過換算測得質量流量。自適應濾波方法采用十抽一濾波器和高低通濾波器。其不足之處是采樣點數多,計算時間長,實時性差。

研制成功以數字信號處理器(DSP)為處理核心的渦街流量計信號處理系統,系統的硬件框圖如圖4所示,軟件框圖如圖5示。它采用周期圖譜分析的方法對渦街流量傳感器的信號進行數字處理,計算出信號頻率,測量出流量。該系統在安徽省流量儀表計量鑒定站的水流量標定裝置上進行性能測試,線性度達到0.11596%,重復性為0.0264575%。

                 圖4  系統硬件框圖

                圖5  系統軟件框圖

1.3 研究重點

    總結以上工作,作者認為在數字信號處理方法應用上還存在一些問題,研究的重點主要有以下方面:

①已經研究了干擾信號與渦街信號在一頻段的情況,當渦街信號和干擾信號的頻率在同一頻段且頻率非?拷鼤r,如何分辨這兩種信號,如何消除噪聲信號的頻譜對渦街信號頻譜的干涉;

②研究小波分析時,所選用小波幅頻特性的過渡帶不夠陡,使得它分頻特性不好,造成頻率分辨率不夠高;同時,靠近渦街頻率的諧波不易濾干凈,將會影響測量精度,因此還需要研究小波函數的選取、分級,小波濾波器的幅頻特性和中心頻率的調整,采樣頻率和采樣點數如何確定,以及在軟件編程中,如何優化算法,使計算量少、內存占用量少和運算誤差小,以保證體積小、實時性好和計算精度;

③研究強干擾噪聲是以建立某種噪聲的模板為基礎,如何建立一種通用的模板,真正解決強干擾下渦街信號和噪聲的判別、分離及提取問題;

④在傳感器條件一定的情況下,如何利用信號處理技術擴大量程比,提高小流量測量精度;

⑤全面、深入地研究流場噪聲以及它們對渦街信號影響。

2  結束語

   國內外的研究工作已部分解決了工程應用中出現的一些問題,推進了渦街流量計的應用,同時為進一步研究創造了條件。隨著現場總線技術,智能儀表技術及數字信號處理技術的發展,渦街流量計的研究內容更加豐富。綜合國內外研究狀況,作者認為,渦街流量計研究的發展方向集中在以下方面:

①先進的傳感器結構的設計,消除任何方向的振動干擾,穩定旋渦;

②采用全數字化現場總線的智能渦街流量計;

③應用先進的數字信號處理方法,更好的解決干擾問題,提高流量測量精度;

④實現真正質量流量測量。

渦街流量計是基于流體振動原理的流量計,具有一系列獨特的優點,在計量檢測中發揮越來越大的作用,應用前景非常廣闊,因此渦街流量計的研究將具有重要的意義。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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