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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(2)

Rosement公司研制了以数字跟踪滤波器(digitaltracking filter)为核心的涡街流量计数字信号处理系统[10],数字跟踪滤波器由一系列具有不同截止频率高低通滤波器组成,处理器根据涡街信号的特点,选择合适的滤波器处理输入信号。采用数字滤波器提高了流量测量和控制的可靠性和准确性。

Foxboro公司采用自适应滤波(adaptive filter)技术来提高流量测量的精度[11]。涡街传感器的信号通过带通滤波器进行处理,该带通滤波器的截止频率根据涡街信号的测量频率动态调整,当测量频率变化很小时,滤波器的转折频率设置为跟踪信号频率变化;当测量频率变化比较大时,设置为搜索频率模式,初始化滤波器,重新测量涡街频率,这样避免了滤波器跟踪到噪声频率。

1.2 国内研究状况

国内的专家学者也在不断作出努力,采用先进的数字信号处理技术,解决应用上的关键问题。

重庆大学蒙建波等采用基于最小均方自适应算法建立流量信号的五阶自回归模型,计算其功率谱,从而确定主信号频率[12]。由漩涡发生体、热线探针、前置处理电路和APPLE微机构成测量系统,验证了谱分析方法用于涡街流量计信号处理的可行性。但是,没有研究计算的精度、实时性和小型化等关键技术问题,没有应用于实际的流量测量中。此外,我们的研究证明,这种方法对谐波干扰的抑制能力较差。

重庆工业自动化仪表研究所的专家和北京公用事业研究所的专家分别针对工业现场的电磁干扰、管道振动干扰和流场干扰,研究了涡街流量计在屏蔽、结构设计和安装上的对策。同时认为,在电路和信号处理方面可以有效地抑制振动噪声[13]

长沙矿山研究院和浙江大学机电控制研究所从传感器入手,研究提高涡街流量计抗振性能和扩展量程下限的途径。

哈尔滨工业大学龚振起等将自适应处理方法应用于涡街流量计,采用线性预测谱估计法进行频谱分析,获得希望的信号频率[14]

合肥工业大学自动化研究所从上个世纪90年代起,开展了流量计的研究,将数字信号处理方法应用于涡街流量计中,并研制了以DSP为核心的处理系统。主要的数字信号处理方法有:

①基于FFT的经典谱分析方法[15]。直接用傅立叶变换对有限时间序列计算功率谱,求取信号频率。该方法能有效抑制谐波干扰,但在非整周期采样时,有较大的泄漏误差,必须利用频谱校正方法来提高测量精度。

②基于Burg算法的现代谱估计方法——最大熵谱法[16]。最大熵谱法先建立自回归模型,再计算功率谱。采样Burg算法,以正反向线性预测误差能量的平方和最小为准则,来估计自回归模型的系数。特别易于短序列的谱分析。

③自适应陷波抑制一个特定的频率,并且不受位于带宽以外的频率影响。研究证明该方法在非整周期采样、谐波和噪声干扰情况下频率测量都能达到较好精度,但存在不能准确测量幅值的问题。

④小波分析方法[18]。小波变换可以作为一组带通滤波器,用来对涡街传感器信号进行滤波,去除噪声,以便准确提取频率信息。采用紧支集二次样条小波函数,利用小波变换的低通和带通滤波特性,可以把原始信号中的不同频率的信号成分分离出来。

⑤功率谱分析方法和互相相关方法。利用该方法解决强干扰条件下涡街流量计测量问题。其首先将频率测量范围分段,在不同频段建立噪声模板,然后用混合信号的功率谱与噪声模板作互相关,提取噪声,再利用插值法消除噪声,最后对消除噪声的信号进行频谱分析,计算出频率,利用频谱校正法提高计算精度[19]

⑥自适应滤波方法[20]。利用该方法准确测出传感器输出信号的频率及在该频率下的幅值,通过换算测得质量流量。自适应滤波方法采用十抽一滤波器和高低通滤波器。其不足之处是采样点数多,计算时间长,实时性差。

研制成功以数字信号处理器(DSP)为处理核心的涡街流量计信号处理系统,系统的硬件框图如图4所示,软件框图如图5示。它采用周期图谱分析的方法对涡街流量传感器的信号进行数字处理,计算出信号频率,测量出流量。该系统在安徽省流量仪表计量鉴定站的水流量标定装置上进行性能测试,线性度达到0.11596%,重复性为0.0264575%。

                 图4  系统硬件框图

                图5  系统软件框图

1.3 研究重点

    总结以上工作,作者认为在数字信号处理方法应用上还存在一些问题,研究的重点主要有以下方面:

①已经研究了干扰信号与涡街信号在一频段的情况,当涡街信号和干扰信号的频率在同一频段且频率非常靠近时,如何分辨这两种信号,如何消除噪声信号的频谱对涡街信号频谱的干涉;

②研究小波分析时,所选用小波幅频特性的过渡带不够陡,使得它分频特性不好,造成频率分辨率不够高;同时,靠近涡街频率的谐波不易滤干净,将会影响测量精度,因此还需要研究小波函数的选取、分级,小波滤波器的幅频特性和中心频率的调整,采样频率和采样点数如何确定,以及在软件编程中,如何优化算法,使计算量少、内存占用量少和运算误差小,以保证体积小、实时性好和计算精度;

③研究强干扰噪声是以建立某种噪声的模板为基础,如何建立一种通用的模板,真正解决强干扰下涡街信号和噪声的判别、分离及提取问题;

④在传感器条件一定的情况下,如何利用信号处理技术扩大量程比,提高小流量测量精度;

⑤全面、深入地研究流场噪声以及它们对涡街信号影响。

2  结束语

   国内外的研究工作已部分解决了工程应用中出现的一些问题,推进了涡街流量计的应用,同时为进一步研究创造了条件。随着现场总线技术,智能仪表技术及数字信号处理技术的发展,涡街流量计的研究内容更加丰富。综合国内外研究状况,作者认为,涡街流量计研究的发展方向集中在以下方面:

①先进的传感器结构的设计,消除任何方向的振动干扰,稳定旋涡;

②采用全数字化现场总线的智能涡街流量计;

③应用先进的数字信号处理方法,更好的解决干扰问题,提高流量测量精度;

④实现真正质量流量测量。

涡街流量计是基于流体振动原理的流量计,具有一系列独特的优点,在计量检测中发挥越来越大的作用,应用前景非常广阔,因此涡街流量计的研究将具有重要的意义。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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