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涡街流量计信号处理方法与系统的研究现状2003年8月(1)

摘要  综述了国内外在涡街流量计研究中的信号处理方法。简单介绍了日本、美国等数家公司的信号处理系统原理以及国内关于涡街流量计信号处理的几种有代表性的方法。在此基础上还介绍了作者自行研制的以数字信号处理器为处理核心的涡街流量计信号处理系统的软、硬件框图。

关键词   涡街流量计   信号处理   研究现状

0  引言

   涡街流量计是20世纪60年代末期发展起来的一种基于液体振动原理的流量计。20世纪70年代初,商品化的涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性,不仅如此,它的优点还包括仪表内无机械可动部件,被测流体本身就是振动体,性能可靠;使用寿命长;测量流体几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响;可以适用液体、气体和蒸汽的测量,介质适应性宽,测量精度较高;压力损失小,量程比宽;可直接输出数字信号等。

涡街流量计本质上是流体振动型流量计,因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感,它不仅可以感受传感器受到的涡街力,还可以感受到传感器受到的其他力,如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化,产生的随机脉动压力等,现场的干扰对流量测量产生很大的影响。目前,将涡街流量计用于流量测量,需要研究的关键性问题:一是抑制流场噪声的影响,流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响,而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响。附加的旋涡干扰了涡街信号,降低了性噪比;二是准确测量小流量,因为小流量所产生的横向升力较小,检测信号非常微弱,易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响,存在一个量程下限死区,从而造成量程比受限,小流量不能测量。例如涡街流量计的理论量程比为100∶1,而目前实际的量程比最大的为10∶1。

国内外的专家学者为解决涡街流量计应用中的关键性问题,作了大量的工作,取得了显著的成绩,推进了涡街流量计的研究。

1 国内外研究现状

    为了改善流量计的抗干扰性能,降低它的量程下限,国内外研究学者做了大量的工作,归纳起来主要在三个方面:①研究旋涡发生体的现状对流量计性能的影响。Pankain从优化非流线体几何结构和传感器安装位置的角度,研究了提高信号质量、频率稳定性和流量计线性度的方法[1];②研究涡街流量计工作环境流体状态的影响。Mottram和Rawat研究了脉动的流体对涡街流量计测量精度的影响[2]。Lanevile研究了漩流的情况对流量计输出信号的影响[3];③将数字信号处理方法应用于流量计,处理传感器的输出信号,提取涡街信号频率。数字信号处理方法应用于涡街流量计,可以解决流量测量中存在的一些难题,是目前新技术流量计发展的主要方向。本文重点论述数字信号处理方法在涡街流量计中的应用。

1.1 国外研究状况

1990年,Schlatter等人研究了涡街流量计工作条件下的噪声情况,提出了强干扰条件下信号处理方案[4]。这种强噪声具有以下特点:①幅值与涡街信号的幅度相当或高于涡街信号;②频率在涡街信号频率范围内;③当管道等一定时,噪声频率是确定的。但噪声信号和涡街流量信号特性不同,在实际测量中,涡街信号在时间轴上是缓慢变化的,变换到频域,结果是一宽带信号。对于固定的管道,噪声是恒定的,变换到频域是一窄带波形。在建立噪声模板和信号模板的基础上,提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除流量测量中的强噪声,即利用互相关方法,检测出噪声,从而消除噪声,再利用频谱分析得到涡街信号的准确频率,同时研制了以微处理器(TMS320C10)为核心的测量装置。但是,这种方法只针对某种特定的噪声,实际中噪声情况多种多样,不易获得所有噪声的模板。

1992年,Kawano通过增强非流线体的刚度和自适应低通滤波方法来提高流量计的性噪比[5],并采用自适应低频信号介质辨识器,根据信号频率来调整滤波器的截止频率,使流量计的抗干扰性能得到了改善,但是,由于限制了频率,无法测量小流量,量程也受到了限制。

1993年,Amadi-E研究了工作环境的噪声对旋涡脱离频率的影响[6],分别给出了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下,流量计传感器输出信号,采用基于FFT的谱分析来计算涡街信号频率,提高了流量计的测量精度。同时使用系统辨识技术,根据涡街流量计输出信号变化来检测工作现场的情况。

Miau专门研究了冲击振动情况下对压电式涡街流量计输出的影响[7],通过改进传感器的设计降低传感器对脉冲振动,在传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器,去除脉冲振动产生的尖峰噪声。

1997年,Menz首次将传感器融合应用于流量计测量[8],研究了以超声波为探测元件的涡街流量计,超声波涡街流量计可以直接测量涡街信号频率,然后计算出流量,也可以先测出两个测量点之间旋涡通过的时间,再计算流量。将两种测量原理结合在一起,将两种测量方法的测量结果进行融合,得到新的流量值,提高了流量测量的精度,削弱流体噪声的影响。

不仅国外大量学者致力于流量计关键问题的研究,而且世界上很多生产涡街流量计的公司,诸如Yokagawa,Foxboro,Rosemount等也在进行着流量计新技术的研究。

Yokagawa是世界最早生产涡街流量计的公司[9],1968年生产出世界上第1台涡街流量计。在涡街流量计技术研究中Yokagawa公司一直处于领先地位,它研制地数字涡街流量计(YEWELO),以微处理器为核心,采用频谱信号处理(spectral signal processing)技术,利用信号频谱分析的结果,结合最佳噪声比搜索算法,调整带通滤波器(band psss filter,BFP),除去噪声,提高流量测量精度。该公司的压电式涡街流量计采用两片压电元件作为检测元件,上下两片压电元件极化方向相反,如图1所示。

       图1  压电式涡街流量计

                    (1)

                              (2)

式中: 为上片压电元件的输出电荷;S1为上片压电元件的信号成分;N1为上片压电元件的噪声成分;Q2为下片压电元件的输出电荷;S2为下片压电元件的信号成分;N2为下片压电元件的噪声成分。

将式(1)加上 乘以式(2),得:

·

            =                        (3)

如果 ,且 ,则噪声成分将受到抑制。最佳噪声比搜索算法就是要找到 。系统原理框图和频谱分析结构框图分别如图2和图3所示。

                    图2 系统原理框图

              HPF-高通滤波器;LPF-低通滤波器

                   图3  频谱分析结构框图


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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