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涡街流量计

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一种涡街流量计数字信号处理方法研究和系统设计

来源:编辑:发表时间:2018-04-25 14:10:00

 摘  要:为了准确描述涡街信号的特征, 本文研究涡街流量计输出信号的模型, 并进行了仿真。 对以前的信号处理方法进行了分析, 提出了一种前置滤波+频谱分析的信号处理方法, 有效地提高了涡街流量计的测量精度, 扩大了量程比。 用片上外设丰富的 DSPs芯片 ———TMS320LF2407A, 设计了一套涡街流量计数字信号处理系统, 该系统体积小、成本低。

 
1   引  言
        涡街流量计是利用流体振动原理来进行流量测量,其优点是仪表内无机械可动部件, 使用寿命长 ,测量流量几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响, 测量精度较高 ,与节流流量计相比 , 它的压力损失小,可直接输出数字信号等,因此其应用范围相当广泛。
 
        由于工业现场充满了各种噪声, 例如管道的振动、流体的脉动 、环境中的电磁干扰, 还有管道中水泵、阀门也会产生一定的干扰 。这些干扰在流体流量比较大的时候 ,对测量精度影响很大 ,但是当流量比较小时 ,流体所产生的横向升力较小 ,传感器检测出的信号非常微弱 ,此时涡街信号的信噪比已经接近于 1, 因此采样传统的零穿越(图 1)测量方法无法达到所需的精度, 只能设定一个测量的下限量程 ,从而导致测量量程受到限制。现在市场上出售的涡街流量计大都采用这种方法 ,其精度一般为 ±1%, 量程比为 10:1。而国外新近推出的涡街流量计, 采用了数字信号处理方法进行信号的检测处理, 但是大都使用自己设计的专用数字信号处理芯片, 在国内很难实现其方法。因此, 研究数字信号处理方法和使用通用数字信号处理芯片来完成处理工作具有重要意义。
零穿越方法的结构图
2   涡街流量信号模型
        为了更好地对涡街信号进行处理, 必须对其特征充分了解。参考文献[ 1] 的两位编辑在英国牛津大学的实验室对一套涡街流量计测量系统进行了实验,得出的模型如图 2 所示 。
涡街流量信号模型
2.1  流量信号的系数
        通过模型可以看出, 不考虑干扰的情况下 ,流量信号的频率是与流量成正比:
20180425144354.jpg
        式中,K 是仪表常数, 与管道的口径 、涡街流量计的旋涡发生体的结构有关。使用科氏流量计测得实时流量信号, 然后根据测得的涡街频率进而得到仪表常数 K。
 
        涡街流量计输出信号的幅度是与流量的平方成比例 。
20180425144359.jpg
        式中,ê 与流体的密度有关 。将涡街流量计的输出信号通过一个滤波器后, 用峰值检测电路测量出其幅度 ,然后由公式(2)得到 ê 的平均值 。
 
2.2  实际信号中存在的干扰
        (1)频率调制干扰 :通过对稳定流量下涡街流量计输出信号进行功率谱分析发现 ,信号的输出谱线仍要比一个纯净的正弦信号要宽, 在排除由于 FFT窗效应的影响外 ,可以认为信号中存在一个频率调制干扰,而且通过对功率谱分析发现,这种干扰是呈现高斯分布的, 因此通过对不同流量下 ,大量功率谱数据分析可以求出其噪声分布的置信区间。
 
        (2)有限带宽白噪声干扰:通常认为信号中的白噪声应该是一个频带很宽的信号 ,但是实际测量发现,白噪声只是分布在低频段 ,因此可以认为这种噪声是由一个零均值的宽带白噪声通过一个低通滤波器所形成 。
 
        (3)设备噪声 :在工业现场中 ,管道的振动 、水泵运转时产生的噪声 ,还有现场环境中的工频干扰都会进入测量的信号之中 。虽然这种噪声在大流量信号时候并不明显, 但是在小流量信号时候, 由于涡街信号本身很小, 因此必须考虑设备噪声的影响。研究发现, 不同工业现场的设备噪声都不相同 ,这与现场的设备使用情况 、管道的安装情况、电磁环境等因素都有关系, 因此必须通过实际测量才能得到结果。模型建立后, 通过 MATLAB 中的 SIMULINK 仿真得出结果, 并对输出信号进行功率谱分析 ,与实际的测量流量得到的功率谱分析得出的结果基本一致, 可以作为实际仿真时的信号源 。
 
3  前置滤波 +频谱分析方法
        应用于涡街流量计的数字信号处理方法比较多, 主要可以分成两大类 :一类是以对原始信号进行自适应滤波,方法是通过检测涡街信号的幅度等特征, 结合流体的密度等因素进行决策, 从而自动改变滤波器的频带和施密特触发器的门限,达到最好的滤波效果,然后使用传统的脉冲计数方法测量涡街的频率。这种方法优点是可以扩大流量计的测量范围。考虑到减小体积和功耗, 降低成本 ,以及保护其常识产权,大都使用专门设计的数字滤波芯片 。目前市场上出售的进口涡街流量计如罗斯蒙特、横河企业等均是基于上述类似的方法 。第二大类方法主要是在频率的测量 、滤波上采用数字信号处理的方法, 如使用频谱分析的方法进行频率测量[ 2],基于小波变换的方法进行信号的滤波[ 3]等,这些方法可以从本质上提高频率的测量精度。这些方法存在的主要问题是如何在信噪比小于1 的时候对信号进行测量, 因为这时的噪声功率谱已经接近或者大于信号的功率谱。结合仿真模型的特点,以及综合上述两种方法,本文提出了使用前置滤波器 +频谱分析的方法 。频谱分析的方法就是通过快速傅立叶变换对涡街信号进行频率分析, 求出功率谱。因为在流量计大部分量程内,涡街信号的功率值都大于其它干扰信号, 因此通过寻找信号频率中功率谱中最大的点, 就应该是涡街信号的频率。
 
        考虑到频谱分析方法存在非整周期采样误差的问题, 通过合理选择采样频率以及频谱校正,测量精度远高于其它方法。对于信噪比小于 1 时主信号提取, 借鉴对信号幅度的判别进而确定滤波器频带的方法[ 1],因为从信号模型可以看出,涡街信号的幅度随流量的平方而变化,因此可以通过对涡街信号幅度的大小对流量进行初步判断 ,进而在流量信号减小到一定的门限值时(此时的信号中最大干扰信号的功率谱值接近涡街信号功率谱幅值),接入一个固定带宽的带通滤波器,这个滤波器的上限频率设定在上述的门限频率值,而下限设定在涡街流量计所能测量的最小频率上。这里之所以不使用低通滤波器是因为此时信号中有可能存在较大幅值直流电平信号,很可能使功率谱分析得出的结果为零频率信号。图 3为前置带通滤波器的频率特性。
前置带通滤波器频率特性
        整个处理过程都用MATLAB 编写程序来实现 。设计了一个椭圆滤波器作为前置滤波器, 具有相当陡的过渡带 ,能够满足窄带滤波器的要求 。大家先将输入信号取绝对值 ,然后求取平均值 ,再进行判断决定滤波器是否接入, 这样可以避免大的随机干扰信号对幅值判别的影响。
 
        仿真时,大家以信号模型的输出作为原始信号 ,首先测试了采样频率对测量精度的影响 :通过表 1可以看出, 由于 FFT 得出的谱线是离散的谱线 , 因此采样频率对精度影响比较大, 理论上此时的最大误差应该是:
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        式中 ,fi 是输入信号的频率, fs 是采样信号的频率,Ns 是采样点数。如果固定采集的点数, 那么测量的精度与采样频率比有关系, 由于涡街信号频率变换范围很宽 ,可以达到 1∶100, 因此为了满足整量程内的精度, 必须在不同的频率段使用不同的采样频率。为了达到优于 0.5%的测量精度 ,在采集 1024 点的情况下 ,采样频率比应该在 10 倍左右 ,考虑到使用频谱校正以及测量的实时性要求 , 可以在信号频率较高的时候使用比较低的采样频率比 ,而在信号频率低的时候, 在满足测量精度的前提下 ,可以适当提高采样频率比 。基于上述思想, 对被测信号的频率进行分段 ,段与段之间有一定的重叠区域;分段设置采样频率 ,采样频率应为被测频率段上限的 10 倍、下限的 40倍.
不同流量、采样频率下 FFT 频谱分析结果最大可能频率误差点的测量精度
        表 2是根据采样频率比在 40 倍左右的条件下,每一段测量范围内最大可能误差点的仿真结果, 可以看出, 此时的测量精度都能满足要求 ,而且在流量为 0.098155 l s时 ,采样频率比已经达到100倍,而测量误差仍小于 0.5%,这应该归功于频谱校正的结果。
 
4   数字信号处理系统设计
基于 DSP 的数字信号处理系统
        为了完成流量计信号处理中所需要的大量复杂而精密的运算, 就需要一块性能优异的 DSP 芯片 ,选择 TI 企业的 DSP 芯片 TMS320LF2407A。其特点是片内资源相当丰富:带有一个 16 通道 10 位的A D;有两个事件管理器 ,各包括 2个 16 位通用定时器,8 个 16 位 PWM 通道, 3 个带捕捉功能的计数器等;内部带有 32K 的程序 FLASH ROM , 2K 的数据RAM,最大寻址空间可以达到 192K(程序、数据 、I O口各 64K);通信接口有 CAN 总线控制器以及串行通讯口,等等。因此设计系统时可以省去大量外围芯片, 减小系统的体积和成本。虽然A D 的精度不高,但是考虑到大家主要是计算频率量 ,因此 10 位A D 精度能够满足系统的要求。整个系统如图 4所示,限于篇幅关系,整个系统的硬件组成和App流程就不再详述。
 
5  结   语
        (1)研究了一个涡街流量信号的模型 ,这个模型较全面地描述了流量信号和各种干扰的特征;
        (2)提出了前置滤波和频谱分析相结合的信号处理方法 ,保证小流量时的测量精度, 简单 、实用 ;
        (3)设计了基于 TMS320LF2407A 的涡街流量信号处理系统, 从而使信号处理系统的芯片少 、体积小和成本低 ,有利于推广应用。
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