渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為提高渦街流量計(jì)的測(cè)量性能,提出一套雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法,通過(guò)測(cè)量通道與監(jiān)測(cè)通道的配合,提升低流速的測(cè)量性能,運(yùn)用脈動(dòng)信號(hào)功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)算法,進(jìn)一步提升測(cè)量的精度和抗震動(dòng)性能,并設(shè)計(jì)基于 MSP430 的渦街信號(hào)處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該信號(hào)處理方法能有效提升渦街流量計(jì)的測(cè)量性能。
0.引 言
渦街流量計(jì)作為一種新的速度型流量計(jì),具有量程相對(duì)較寬、適用流體種類(lèi)多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、安裝維護(hù)方便、校驗(yàn)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)?,F(xiàn)在渦街流量計(jì)已應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)工程、生物技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。目前高性能的渦街流量計(jì)被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷,而低流速不可測(cè)或測(cè)不準(zhǔn)、抗振動(dòng)性能差等因素成為了制約國(guó)內(nèi)渦街流量計(jì)性能的瓶頸。提出采用數(shù)字化頻譜分析方法來(lái)測(cè)量渦街信號(hào)頻率,但是嚴(yán)格的數(shù)字化頻譜分析難以同時(shí)兼顧分辨率和實(shí)時(shí)性。浙江大學(xué)的徐國(guó)梁等,提出信號(hào)增益控制結(jié)合譜分析的方法,并進(jìn)行了相關(guān)的電路方案設(shè)計(jì)。天津大學(xué)的張濤和段瑞峰等采用松弛陷波周期圖譜方法分析渦街流量計(jì)信號(hào)。合肥工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所的徐科軍等采用多種數(shù)字處理方法探索渦街信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉。
本文針對(duì)渦街流量計(jì)低流速不可測(cè)或測(cè)不準(zhǔn)、抗振動(dòng)性能差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法,通過(guò)測(cè)量通道與監(jiān)測(cè)通道的配合工作,提升低流速的測(cè)量性能,并通過(guò)脈動(dòng)信號(hào)功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)軟件算法,進(jìn)一步提升測(cè)量的精度和抗震動(dòng)性能。
1.雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法分析
1.1測(cè)量通道信號(hào)處理方法分析
渦街信號(hào)的幅頻特性為幅值與頻率的平方成正比變化大。如此大的幅值跨度范圍給后級(jí)系統(tǒng)信號(hào)處理帶來(lái)困難,為方便后級(jí)對(duì)信號(hào)的數(shù)字化處理,首先對(duì)信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行處理,使信號(hào)的幅值維持在一定范圍內(nèi)。
針對(duì)渦街信號(hào)按平方增長(zhǎng)的幅頻特性,考慮設(shè)計(jì)擁有 1/f 2 衰減(-40 dB/dec)特性的濾波單元來(lái)對(duì)原始信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)該濾波器的幅頻特性為
式中:A0 —通帶放大倍數(shù); f —信號(hào)頻率; f0 —濾波器截至頻率。
該濾波器表現(xiàn)為一個(gè)二階低通濾波器,當(dāng) f>>f0時(shí),濾波器的傳遞函數(shù)近似為 1/f 2 衰減曲線(xiàn)。因此,理論上當(dāng)渦街信號(hào)頻率處于遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)折頻率的頻帶上時(shí),通過(guò)此濾波器后的渦街信號(hào)幅值為一常數(shù),該濾波器抵消了信號(hào)幅值增長(zhǎng)的平方關(guān)系。同時(shí),二階低通濾波器還可以有效抑制高頻干擾。
理論上,如果沒(méi)有低頻干擾,一個(gè)擁有 1/f 2 衰減的二階低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)渦街信號(hào)幅值在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,由于該濾波器對(duì)低頻噪聲沒(méi)有濾波能力,而且低頻擺動(dòng)噪聲強(qiáng)度隨著流速的增加而增強(qiáng),擺動(dòng)信號(hào)可能疊加在正常信號(hào)上,使被疊加的信號(hào)超出處理電路的幅值處理范圍,出現(xiàn)飽和失真(見(jiàn)圖 1)。
為減弱疊加的低頻噪聲,考慮使用高通濾波器,與原有的低通濾波器組成帶通濾波器。同時(shí)為了增加對(duì)低頻噪聲的濾波效果,考慮使用二階高通濾波器(-40 dB/dec)。設(shè)計(jì)該濾波器的幅頻特性為對(duì)于低頻段信號(hào),使信號(hào)經(jīng)過(guò)同一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率的低通濾波器,理論上輸出的幅值為常數(shù),但為了增加對(duì)低頻噪聲的濾波效果,本設(shè)計(jì)對(duì)高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率進(jìn)行分段濾波處理。
對(duì)于高頻段信號(hào),考慮到前端傳感器進(jìn)來(lái)的信號(hào)幅值已經(jīng)飽和,信號(hào)幅值不再呈現(xiàn)按信號(hào)頻率的平方倍關(guān)系增長(zhǎng)規(guī)律,如果繼續(xù)使用 1/f 2 衰減曲線(xiàn),則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅值衰減過(guò)小。同時(shí)由于此時(shí)信號(hào)的信噪比已經(jīng)較高,故將低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率后移,使低通濾波器基本放開(kāi)。
下面以 50 mm 口徑液體為例進(jìn)行低頻段和高頻段信號(hào)的具體處理說(shuō)明:
50 mm 口徑液體的信號(hào)頻率范圍為 2~140 Hz(fmin=2 Hz,fmax=140 Hz),根據(jù)對(duì)前端傳感器信號(hào)的測(cè)量處理經(jīng)驗(yàn),劃分信號(hào)頻率段區(qū)間為:低頻段:2~16 Hz高頻段:16~140 Hz
對(duì)于低頻段信號(hào),由于信號(hào)幅值未飽和,滿(mǎn)足按信號(hào)頻率的平方倍關(guān)系增長(zhǎng)的規(guī)律,故選取二階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 fL=fmin/2=1 Hz。而對(duì)于高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率進(jìn)行分段處理,分別選取 fH=fmin=2 Hz、fH=2×fmin=4 Hz、fH=4×fmin=8 Hz,進(jìn)而將低頻段分為 2~4 Hz、
4~8 Hz、8~16 Hz 3 段。
對(duì)于高頻段信號(hào),考慮到信號(hào)幅值已飽和,故選取二階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 fL=fmax/2=70 Hz,既保證信號(hào)的正常輸出,同時(shí)抑制一定的高頻噪聲。選取高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 fH=8×fmin=16 Hz。
上述所分析的四頻段信號(hào)處理方法構(gòu)成了整個(gè)渦街信號(hào)處理體系的主體通道,這里稱(chēng)之為“測(cè)量通道”。
1.2監(jiān)測(cè)通道信號(hào)處理方法分析
實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)測(cè)量通道所輸出的當(dāng)前信號(hào)頻率值判斷選取相應(yīng)的頻段。現(xiàn)在假設(shè)出現(xiàn)這樣一種情況:當(dāng)前信號(hào)頻率 fs=3 Hz,位于頻段 1,由于現(xiàn)場(chǎng)流速的突然改變,信號(hào)頻率突變?yōu)?/span> fs=100 Hz,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)存在一個(gè)強(qiáng)度比較大的低頻擺動(dòng)噪聲信號(hào) fz=3 Hz。
此時(shí)真正的信號(hào)頻率 fs=100 Hz,由于輸入幅值已經(jīng)飽和,經(jīng)過(guò)頻段 1 的低通濾波器,輸出幾乎為零,而現(xiàn)場(chǎng)的低頻擺動(dòng)噪聲信號(hào) fz=3 Hz 經(jīng)過(guò)頻段 1 恰好能夠正常輸出,這就導(dǎo)致了測(cè)量通道的頻率段“死鎖”,造成了渦街信號(hào)正常輸出的“假象”。
為了避免上述“假象”的出現(xiàn),考慮設(shè)計(jì)一個(gè)一階低通濾波器與一個(gè)一階高通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器,組成“監(jiān)測(cè)通道”。因此設(shè)計(jì)一階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為 fL=fmax/2=70 Hz,一階高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為 fH=8×fmin=16 Hz,其幅頻曲線(xiàn)如圖 2 所示。
當(dāng)存在由于現(xiàn)場(chǎng)流速的突變而使信號(hào)頻率突然由低頻變化為高頻,由于監(jiān)測(cè)通道的帶寬在量程范圍內(nèi)的高頻段幾乎暢通(帶寬 16~70 Hz),所以能夠快速正確地反映高頻段信號(hào)的變化。當(dāng)監(jiān)測(cè)通道“得知”現(xiàn)在是高頻流速信號(hào)這個(gè)“信息”之后,“通知”測(cè)量通道切換到頻段 4(高頻段),從而可以進(jìn)行正確的測(cè)量。
以上便是雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法的思路分析,通過(guò)雙通道的信號(hào)處理,***大程度的削弱了現(xiàn)場(chǎng)噪聲,可以實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測(cè)量,同時(shí)也保證了儀表的響應(yīng)速度。
2.脈動(dòng)信號(hào)的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)方法研究
渦街流量計(jì)的信號(hào)頻率范圍一般為 0.2 Hz~3 kHz,同時(shí)流量計(jì)在管道振動(dòng)等干擾下又會(huì)在信號(hào)上混入許多干擾脈沖。通過(guò)“測(cè)量通道”輸出的信號(hào)已經(jīng)濾除了大部分噪聲,但依然不可避免的存在噪聲對(duì)信號(hào)造成影響,迫使經(jīng)過(guò)濾波輸出的正弦信號(hào)在經(jīng)過(guò)整形電路之后,輸出的脈沖存在“缺波”或“多波”現(xiàn)象。如何減弱振動(dòng)干擾影響,提高渦街流量計(jì)的測(cè)量精度是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。
根據(jù)對(duì)渦街信號(hào)特性的理解,設(shè)計(jì)一種合適的濾波方法來(lái)進(jìn)一步提升渦街頻率測(cè)量精度,彌補(bǔ)輸出脈沖可能存在的“缺波”或“多波”現(xiàn)象。目前,已有的脈動(dòng)信號(hào)周期的估計(jì)方法主要有兩類(lèi):1)采用在線(xiàn)性濾波器下直接對(duì)周期捕捉值進(jìn)行數(shù)字濾波方法;2)先對(duì)脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換,再采用數(shù)字化頻譜 FFT 方法來(lái)分析功率***大頻率點(diǎn)的周期值,這些方法有需要解決數(shù)字化頻譜分析的分辨率和實(shí)時(shí)性難
以兼顧的技術(shù)問(wèn)題,或用了更多的硬件與軟件而不利于實(shí)現(xiàn)實(shí)際的低功耗儀表。
針對(duì)已有技術(shù)存在的缺點(diǎn),本文提出一種脈動(dòng)信號(hào)的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)方法,直接根據(jù)脈動(dòng)信號(hào)的周期捕捉數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)中數(shù)值相差***小的數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)的平均值作為脈動(dòng)信號(hào)的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)值。這樣既降低了對(duì)脈動(dòng)信號(hào)的功率譜估計(jì)的計(jì)算量,又提高了對(duì)脈動(dòng)信號(hào)周期值估計(jì)的精度和準(zhǔn)確性。
如圖 3 所示,脈動(dòng)信號(hào) X1 連接到一個(gè)周期捕捉單元后,再連接到一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。周期捕捉單元由一個(gè)信號(hào)整形單元和一個(gè)跳變計(jì)時(shí)單元組成;信號(hào)整形單元將信號(hào) X1 整形成脈沖信號(hào) X2 送到跳變計(jì)時(shí)單元,跳變計(jì)時(shí)單元對(duì)脈沖信號(hào) X2 的電平跳變周期進(jìn)行計(jì)時(shí),將每次的計(jì)時(shí)值作為信號(hào) X2 脈沖周期的捕捉值 D 送入數(shù)據(jù)處理器單元。
如圖 4 所示,數(shù)據(jù)處理單元把周期捕捉單元每一次新捕捉值 D 都作為數(shù)據(jù)隊(duì)列 C 中新的 c(n)數(shù)據(jù),再把原數(shù)據(jù)隊(duì)列 C 中的 c(i)數(shù)據(jù)變成 c(i-1)數(shù)據(jù),i=2,3,…,n,即隨周期捕捉單元每一次送入新的捕捉值 D 后使數(shù)據(jù)處理單元產(chǎn)生新數(shù)據(jù)隊(duì)列 C={c(1),c(2),…,c(n)};數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)每一次新數(shù)據(jù)隊(duì)列 C 搜索出 m 個(gè)數(shù)值相差***小的數(shù)據(jù)組 G(即數(shù)據(jù)隊(duì)列 C 中表現(xiàn)***為集中的一組數(shù)據(jù),n≥m≥2);再計(jì)算出新數(shù)據(jù)組 G 中 m 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值 A 作為信號(hào) X1 功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)值;同時(shí)用平均值A 作為周期來(lái)產(chǎn)生輸出脈沖 W。
通過(guò)上述脈動(dòng)信號(hào)的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)方法,進(jìn)一步對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行濾波處理,剔除由于現(xiàn)場(chǎng)干擾而引起的突變干擾脈沖,***大可能提高了儀表的測(cè)量精度和抗振動(dòng)性能。
如圖 5 所示,圖示下方波形為原始輸入波形,上方波形為經(jīng)過(guò)功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)之后的輸出波形??梢钥吹?,經(jīng)過(guò)周期估計(jì)之后的輸出波形對(duì)原始波形進(jìn)行了彌補(bǔ),***大程度地還原了代表流量信息的真實(shí)波形。
3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)方案
圖 6 所示為整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由 5 部分組成:
1)前置放大電路:完成壓電傳感器的輸入信號(hào)放大轉(zhuǎn)換。
2)可控增益調(diào)整電路:配合測(cè)量通道,完成回路的閉環(huán)自動(dòng)增益調(diào)整。
3)測(cè)量通道:整個(gè)硬件系統(tǒng)***核心部分,通過(guò)帶通濾波器完成信號(hào)的濾波處理,并完成脈沖整形任務(wù)。
4)監(jiān)測(cè)通道:通過(guò)脈沖計(jì)數(shù),完成當(dāng)前流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保測(cè)量通道處于正確的頻段。
5)濾波測(cè)量單元:通過(guò)軟件濾波,完成渦街流量的頻率輸出。
各部分電路之間相互協(xié)調(diào)完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的信號(hào)處理。
3.2軟件設(shè)計(jì)方案
如圖 7 所示展示了整個(gè) MCU 軟件程序設(shè)計(jì)的架構(gòu)示意圖,MCU I 的程序模塊主要涉及 A/D 采樣、SPI 通信、定時(shí)器和 UART 通信等,其主要完成的功能有:
1)軟件脈沖整形:通過(guò) A/D 采樣完成 TP1 的模擬正弦信號(hào)到 TP4 的脈沖信號(hào)的整形輸出。
2)濾波頻段選擇策略控制:通過(guò)與 MCUⅡ頻段、周期等信息的交互,完成當(dāng)前濾波頻段切換控制。
3)自動(dòng)增益調(diào)整:通過(guò) A/D 采樣得到的當(dāng)前TP1 模擬信號(hào)的幅值信息,控制放大器的增益倍數(shù),完成回路的幅值閉環(huán)控制。
MCU II 的核心功能是完成信號(hào)的濾波測(cè)量,如圖 7 所示,通過(guò)當(dāng)前頻段值判斷選取脈沖信號(hào)輸入源,然后完成脈沖信號(hào)的功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì),形成脈沖輸出送至上位機(jī),通過(guò)上位機(jī)后期的軟件非線(xiàn)性修正,***終得到流量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
4.實(shí)驗(yàn)分析
本文所設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)在 50 mm 口徑液體管道,采用靜態(tài)容積法進(jìn)行校準(zhǔn)檢定,測(cè)量下限達(dá)1.2 m3/h 左右,國(guó)內(nèi)渦街流量計(jì)在相同環(huán)境下的測(cè)量下限一般為 3~50 m3/h,拓展了 3 倍左右的測(cè)量下限,使量程范圍擴(kuò)大了 3 倍。
同時(shí),所設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)在 1 g 振動(dòng)加速度情況下,測(cè)量量程范圍可達(dá) 30~400 m3/h,而目前國(guó)內(nèi)渦街流量計(jì)在無(wú)振動(dòng)加速度情況下的測(cè)量量程范圍也只為 30~400 m3/h。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文在總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外渦街流量計(jì)研究的基礎(chǔ)上,提出一套全新的高性能渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法,通過(guò)對(duì)渦街流量計(jì)信號(hào)特點(diǎn)的分析,設(shè)計(jì)了一套雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法,并通過(guò)脈動(dòng)信號(hào)功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)軟件算法,進(jìn)一步提升了測(cè)量的精度。