摘要:對(duì)基于譜分析的數(shù)字式渦街流量計(jì)在應(yīng)用中響應(yīng)速度比較慢及其在小流量或小口徑時(shí)流量計(jì)輸出波動(dòng)兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。采用設(shè)置門限值的方法提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。對(duì)頻譜分析結(jié)果進(jìn)行多次為0判斷,解決了系統(tǒng)輸出斷續(xù)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)頻譜分析結(jié)果的限幅,在平均時(shí)去掉超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的頻率值,并去掉最大值和最小值,對(duì)平均結(jié)果進(jìn)行第二次平均的方法減小了系統(tǒng)輸出的波動(dòng),提高了流量計(jì)輸出穩(wěn)定性。
0引言
渦街流量計(jì)具有無(wú)可動(dòng)部件維護(hù)方便、壓力損失小和輸出頻率量等優(yōu)點(diǎn),可以測(cè)量液體、氣體和蒸汽流量,應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，渦街流量計(jì)主要有兩種處理方式,即脈沖整形計(jì)數(shù)方式和數(shù)字信號(hào)處理方式。其中,數(shù)字信號(hào)處理方式具有抗干擾能力強(qiáng)、量程比較寬和精度高的優(yōu)點(diǎn)。基于譜分析的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理方法,采用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)芯片研制了實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),通過(guò)標(biāo)定并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),取得了很好的效果。在應(yīng)用中，針對(duì)數(shù)字式渦街流量計(jì)響應(yīng)速度慢以及在小流量或者小口徑時(shí)輸出信號(hào)波動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了深人的分析,并提出了有效的解決方案。
1提高信號(hào)響應(yīng)的速度
采用頻譜估計(jì)方法分析渦街信號(hào)的頻率是基于渦街流量計(jì)信號(hào)是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程信號(hào),并且流量在短時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的或變化很小。由于渦街流量計(jì)輸出信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求,只能對(duì)有限長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)進(jìn).行處理,即只能截取一段數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。為了防止數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)變異性對(duì)計(jì)算渦街頻率的影響,必須對(duì)若干次頻譜分析的結(jié)果進(jìn)行平均,這就需要花費(fèi)時(shí)間。當(dāng)平均次數(shù)多時(shí)，數(shù)字渦街流量計(jì)的響應(yīng)速度就會(huì)顯得比較慢。例如,我們的系統(tǒng)采用時(shí)鐘頻率為40MHz的TMS320LF2407ADSP芯片，使用匯編語(yǔ)言編制FFT程序計(jì)算渦街信號(hào)的頻譜,對(duì)50次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均。每次FFT計(jì)算時(shí)間大概是300ms(包括信號(hào)處理,人機(jī)接口等對(duì)應(yīng)的其他軟件執(zhí)行時(shí)間),總用時(shí)大概為15s,這個(gè)時(shí)間比較長(zhǎng)。若在這段時(shí)間里,流量發(fā)生突然變化，系統(tǒng)就需要計(jì)算50次FFT,才能反映流量的變化,這將造成測(cè)量誤差,如圖1所示。
在實(shí)際處理中,將每次頻譜分析后得到的渦街頻率放人一個(gè)循環(huán)隊(duì)列中,該隊(duì)列稱為隊(duì)列Q1,如圖2所示(數(shù)字表示隊(duì)列成員序號(hào))。其中,最右邊的為隊(duì)首Q1,最左邊的為隊(duì)尾Q1。再按先進(jìn)先出的原則對(duì)隊(duì)列中最新的若干個(gè)值進(jìn)行平均,得到渦街輸出頻率。由于對(duì)隊(duì)列中的值不加判斷而直接參與平.均,導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。
為此,通過(guò)設(shè)置門限值的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)隊(duì)列Q1中保存的過(guò)去的流量信息來(lái)設(shè)置一個(gè)頻率突變門限frelimit,如果連續(xù)計(jì)算出N個(gè)頻率值Q1[N]~Q1[1]都超過(guò)了fre._limit,則對(duì)這N個(gè)頻率值和后面進(jìn)人隊(duì)列的值進(jìn)行平均,而前面的值Q1[N+1]~Q1[50]不參加平均,N一般為3~5。理論上，門限fre_limit的選擇越小對(duì)微小突變就越敏感。但是,由于FFT計(jì)算出來(lái)的頻率會(huì)在--定范圍內(nèi)波動(dòng),所以,門限值不能選擇太小。另外，由于小的突變?cè)斐傻恼`差不會(huì)太大,所以也沒(méi)必要將門限設(shè)置得很小。
一般來(lái)說(shuō)，渦街流量計(jì)在小流量時(shí)(低頻處)頻率計(jì)算結(jié)果波動(dòng)比較大,而大流量時(shí)(高頻處)比較穩(wěn)定。所以,門限值可以根據(jù)渦街流量計(jì)所能測(cè)的最低頻率來(lái)設(shè)置。由于流量計(jì)的最高可測(cè)頻率是已知的,而采樣頻率一般設(shè)為略大于最高頻率的2倍,所以,門限值可以根據(jù)式(1)來(lái)計(jì)算:
式中:ƒs為采樣頻率;Ɩ為儀表量程比;α(0<lαl<1)為系數(shù)。調(diào)整α可以調(diào)整門限值大小,α<0時(shí)為下限;α>0時(shí)為上限。一般可以取±4%~±13%。
當(dāng)流量突變不超過(guò)門限時(shí),在流量計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)累積流量的最大相對(duì)誤差為:
式中:n(n》1)為平均次數(shù);ƒp為突變以前的頻率;ƒr為突變以后的頻率。而當(dāng)流量突變超過(guò)fre_limit時(shí),誤差會(huì)非常小。
實(shí)際流量變化是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。但是,只要流量對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率的變化率超過(guò)fre_limit/tc,其中tc為FFT計(jì)算的間隔時(shí)間，則系統(tǒng)就能快速響應(yīng);而流量對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率的變化率小于fre_limit/tc.時(shí),其最大相對(duì)誤差小于式(2)的計(jì)算值。
圖3為經(jīng)過(guò)加速處理后40口徑渦街流量計(jì)在流量突變時(shí)的響應(yīng)曲線。可見(jiàn),在流量突變后,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3次FFT計(jì)算就能跟上流量的變化,有效地提高了流量計(jì)的響應(yīng)速度。
2.1消除輸出信號(hào)的斷續(xù)現(xiàn)象
頻譜分析法是按能量最大原則,即把FFT計(jì)算出來(lái)的功率譜中能量最大的頻率值作為渦街頻率。但是,由于干擾的存在,不得不設(shè)置一個(gè)最小截止幅值(min_amp)來(lái)限制小幅值干擾信號(hào),即當(dāng)FFT計(jì)算幅值低于最小截止幅值時(shí),流量計(jì)輸出為0,從而提高抗干擾能力;而由于信號(hào)質(zhì)量、對(duì)采樣信號(hào)加窗FFT非整周期采樣等原因,導(dǎo)致FFT計(jì)算幅值會(huì)有波動(dòng)。當(dāng)流量在流量計(jì)下限附近時(shí),會(huì)出現(xiàn)FFT計(jì)算幅值低于最小截止幅值的情況,這將導(dǎo)致流量計(jì)輸出出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。
流量計(jì)斷續(xù)問(wèn)題主要是由于偶爾幾次的FFT計(jì)算幅值低于最小截止幅值所致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在流量計(jì)可測(cè)流量范圍內(nèi)-般不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)幾次FFT計(jì)算幅值均小于最小截止幅值的情況，所以在碰到FFT計(jì)算幅值低于最小截止幅值時(shí)不是直接輸出0,而是將0放入隊(duì)列Q1。在計(jì)算平均頻率以前先對(duì)隊(duì)列Q1中最近的N(N可取3~4)個(gè)值進(jìn)行判斷,如果N個(gè)值，全部為0,則流量計(jì)輸出為0,否則繼續(xù)做平均計(jì)算,將平均值作為流量計(jì)的輸出頻率,這樣就可以解決輸出斷續(xù)的問(wèn)題。
2.2解決輸出信號(hào)的波動(dòng)問(wèn)題
在小流量的時(shí)候渦街流量計(jì)信號(hào)微弱,信噪比降低,信號(hào)質(zhì)量比較差,頻譜分析得到的渦街頻率波動(dòng)比較大。特別是小口徑渦街流量計(jì)，由于傳感器安裝等原因,這種現(xiàn)象更為明顯。圖4中,曲線1為15口徑渦街流量計(jì)在下限頻率附近,每次FFT計(jì)算得到的渦街頻率;曲線2為40口徑離下限頻率比較遠(yuǎn)時(shí)每次FFT計(jì)算后得到的渦街頻率。可見(jiàn)，曲線1波動(dòng)較大，數(shù)值約為30Hz。此時(shí),即便采取平均措施,也無(wú)法使輸出頻率值穩(wěn)定。
波動(dòng)問(wèn)題主要是由于信號(hào)較差,每次FFT計(jì)算出的頻率值偏差太大所造成的。所以,首先必須保證隊(duì)列Q1中的所有頻率值在可信范圍內(nèi),即在流量沒(méi)有突變的情況下,隊(duì)列Q1中的頻率值不能與前次輸出頻率差得太多。為此，可以設(shè)置一個(gè)頻率允許跳動(dòng)范圍的限幅值。當(dāng)計(jì)算的頻率值超出范圍時(shí),不是簡(jiǎn)單地將這個(gè)值去掉,而是用最近一次的輸出頻率加上限幅值來(lái)代替這個(gè)值。這在某種程度上能保留反映流量變化趨勢(shì)的部分信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)fre__limit來(lái)設(shè)置這個(gè)限幅值。
處理波動(dòng)問(wèn)題的具體步驟為:
①對(duì)隊(duì)列Q,的第N個(gè)元素Q1[N]用式(3)處理,得到數(shù)值ƒin為:
式中:ƒin為處理后隊(duì)列Q1[N]中的頻率值;f。為處理前隊(duì)列Q1N]中的頻率值,即原先FFT計(jì)算出來(lái)的頻率值;f,為流量計(jì)最近--次輸出的頻率值;c為常數(shù),可以根據(jù)實(shí)際情況選取,實(shí)驗(yàn)中取1。需要注意的是,這里是對(duì)Q1[N]處理,而不是對(duì)隊(duì)首元素Q1[1]處理。原因是,Q1[1]~Q1[N-1]中的信息會(huì)反映流量的突變,如果對(duì)其進(jìn)行限幅處理,會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
②對(duì)隊(duì)列Q1中的值進(jìn)行去N-1次最大、最小值處理,算出均值μ,根據(jù)均值算出標(biāo)準(zhǔn)差σ,然后,再利用標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)隊(duì)列Q1中的值進(jìn)行平均。而超出標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)不參加平均。
③經(jīng)過(guò)以上處理后得到的頻率已經(jīng)比較穩(wěn)定,但仍有一定范圍的波動(dòng)。如果流量是穩(wěn)定的話,流量計(jì)輸出應(yīng)該接近穩(wěn)定,波動(dòng)比較小。因此,可以考慮對(duì)計(jì)算頻率值進(jìn)行第二次平均,相當(dāng)于進(jìn)行二次濾波。為此,建立另一個(gè)隊(duì)列Q2。隊(duì)列Q2中的元素是隊(duì)列Q;經(jīng)過(guò)上述步驟處理后的結(jié)果;再對(duì)隊(duì)列Q2進(jìn)行平均計(jì)算,得到的均值作為流量計(jì)的輸出。注意,這里對(duì)隊(duì)列Q2也要進(jìn)行加速處理,方法與處理Q1的類似。圖5所示為經(jīng)過(guò)處理以后渦街流量計(jì)的輸出，從圖中可以看出流量計(jì)輸出已經(jīng)比較平穩(wěn)。
3結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)頻譜分析后的結(jié)果,采用設(shè)置門限值的方法對(duì)流量計(jì)輸出進(jìn)行加速處理,并分析了加速處理方法的誤差,有效地提高了流量計(jì)的響應(yīng)速度降低了調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)由于響應(yīng)慢造成的誤差。
對(duì)頻譜分析后的結(jié)果進(jìn)行0值判斷,連續(xù)幾次為0,流量計(jì)輸出才為0,消除了流量計(jì)在可測(cè)流量下限.時(shí)輸出斷續(xù)現(xiàn)象。
在對(duì)頻譜分析后的結(jié)果平均前采取了限幅、去掉超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差以外的值和去掉最大值最小值的操作,并對(duì)平均后的結(jié)果進(jìn)行第二次平均,減小了流量計(jì)輸出信號(hào)的波動(dòng),提高了流量計(jì)輸出的穩(wěn)定性。
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