摘要：為提高渦街流量計的測量性能，提出一套雙通道渦街流量計信號處理方法，通過測量通道與監(jiān)測通道的配合，提升低流速的測量性能，運用脈動信號功率最大頻率點周期估計算法，進一步提升測量的精度和抗震動性能，并設計基于MSP430的渦街信號處理系統(tǒng)。實驗結果表明：該信號處理方法能有效提升渦街流量計的測量性能。

關鍵詞：渦街流量計；信號處理；雙通道；抗震動

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）02-0105-05

引 言

渦街流量計作為一種新的速度型流量計，具有量程相對較寬、適用流體種類多、結構簡單牢固、安裝維護方便、校驗簡便等特點?，F(xiàn)在渦街流量計已應用在工業(yè)生產、能源計量、環(huán)境保護工程、生物技術等各個領域。目前高性能的渦街流量計被國外產品所壟斷，而低流速不可測或測不準、抗振動性能差等因素成為了制約國內渦街流量計性能的瓶頸。中國專利99101209.7提出采用數(shù)字化頻譜分析方法來測量渦街信號頻率，但是嚴格的數(shù)字化頻譜分析難以同時兼顧分辨率和實時性。浙江大學的徐國梁等，提出信號增益控制結合譜分析的方法，并進行了相關的電路方案設計。天津大學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信號。合肥工業(yè)大學自動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的準確捕捉。

本文針對渦街流量計低流速不可測或測不準、抗振動性能差等問題，設計了一套雙通道渦街流量計信號處理方法，通過測量通道與監(jiān)測通道的配合工作，提升低流速的測量性能，并通過脈動信號功率最大頻率點周期估計軟件算法，進一步提升測量的精度和抗震動性能。

1.雙通道渦街流量計信號處理方法分析

I.l 測量通道信號處理方法分析

渦街信號的幅頻特性為幅值與頻率的平方成正比，而且信號幅值在整個測量范圍內跨度大、信噪比變化大。如此大的幅值跨度范圍給后級系統(tǒng)信號處理帶來困難，為方便后級對信號的數(shù)字化處理，首先對信號的幅頻特性進行處理，使信號的幅值維持在一定范圍內。

針對渦街信號按平方增長的幅頻特性，考慮設計擁有1/f2衰減（-40dB/dec）特性的濾波單元來對原始信號的幅頻特性進行處理。設計該濾波器的幅頻特性為式中：A0——通帶放大倍數(shù)；

f——信號頻率；

fo——濾波器截至頻率。

該濾波器表現(xiàn)為一個二階低通濾波器，當f>>fo時，濾波器的傳遞函數(shù)近似為l/f2衰減曲線。因此，理論上當渦街信號頻率處于遠大于轉折頻率的頻帶上時，通過此濾波器后的渦街信號幅值為一常數(shù)，該濾波器抵消了信號幅值增長的平方關系。同時，二階低通濾波器還可以有效抑制高頻干擾。

理論上，如果沒有低頻干擾，一個擁有l(wèi)/f2衰減的二階低通濾波器即可實現(xiàn)渦街信號幅值在整個動態(tài)范圍內自動調整。但實驗數(shù)據(jù)顯示，由于該濾波器對低頻噪聲沒有濾波能力，而且低頻擺動噪聲強度隨著流速的增加而增強，擺動信號可能疊加在正常信號上，使被疊加的信號超出處理電路的幅值處理范圍，出現(xiàn)飽和失真（見圖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。同時為了增加對低頻噪聲的濾波效果，考慮使用二階高通濾波器（-40dB/dec）。設計該濾波器的幅頻特性為

對于低頻段信號，使信號經(jīng)過同一個轉折頻率的低通濾波器，理論上輸出的幅值為常數(shù)，但為了增加對低頻噪聲的濾波效果，本設計對高通濾波器轉折頻率進行分段濾波處理。

對于高頻段信號，考慮到前端傳感器進來的信號幅值已經(jīng)飽和，信號幅值不再呈現(xiàn)按信號頻率的平方倍關系增長規(guī)律，如果繼續(xù)使用l/f2衰減曲線，則會導致信號幅值衰減過小。同時由于此時信號的信噪比已經(jīng)較高，故將低通濾波器轉折頻率后移，使低通濾波器基本放開。

下面以50mm口徑液體為例進行低頻段和高頻段信號的具體處理說明：

50mm口徑液體的信號頻率范圍為2～140Hzfntn=2Hz， x=140Hz），根據(jù)對前端傳感器信號的測量處理經(jīng)驗，劃分信號頻率段區(qū)間為：

低頻段：2～16Hz

高頻段：16～140Hz

對于低頻段信號，由于信號幅值未飽和，滿足按信號頻率的平方倍關系增長的規(guī)律，故選取二階低通濾波器的轉折頻率fL=fmin/2=1Hz。而對于高通濾波器轉折頻率進行分段處理，分別選取fH=fmin=2Hz、fH=2xfmin=4Hz、fH=4xfmin=8Hz，進而將低頻段分為2～4Hz、4～8Hz、8～16Hz 3段。

對于高頻段信號，考慮到信號幅值已飽和，故選取二階低通濾波器的轉折頻率fL=fmax/2=70Hz，既保證信號的正常輸出，同時抑制一定的高頻噪聲。選取高通濾波器的轉折頻率fH=8xfmin=16Hz。

上述所分析的四頻段信號處理方法構成了整個渦街信號處理體系的主體通道，這里稱之為“測量通道”。

1.2 監(jiān)測通道信號處理方法分析

實際應用中，根據(jù)測量通道所輸出的當前信號頻率值判斷選取相應的頻段。現(xiàn)在假設出現(xiàn)這樣一種情況：當前信號頻率fs=3Hz，位于頻段l，由于現(xiàn)場流速的突然改變，信號頻率突變?yōu)閒s=100Hz，同時現(xiàn)場存在一個強度比較大的低頻擺動噪聲信號fz=3Hz。此時真正的信號頻率fs=100Hz，由于輸入幅值已經(jīng)飽和，經(jīng)過頻段1的低通濾波器，輸出幾乎為零，而現(xiàn)場的低頻擺動噪聲信號fz=3Hz經(jīng)過頻段1恰好能夠正常輸出，這就導致了測量通道的頻率段“死鎖”，造成了渦街信號正常輸出的“假象”。

為了避免上述“假象”的出現(xiàn)，考慮設計一個一階低通濾波器與一個一階高通濾波器構成的帶通濾波器，組成“監(jiān)測通道”。因此設計一階低通濾波器的轉折頻率為fL=fmax/2=70Hz，一階高通濾波器的轉折頻率為fH=8xfmin=16Hz，其幅頻曲線如圖2所示。

當存在由于現(xiàn)場流速的突變而使信號頻率突然由低頻變化為高頻，由于監(jiān)測通道的帶寬在量程范圍內的高頻段幾乎暢通（帶寬16～70Hz），所以能夠快速正確地反映高頻段信號的變化。當監(jiān)測通道“得知”現(xiàn)在是高頻流速信號這個“信息”之后，“通知”測量通道切換到頻段4（高頻段），從而可以進行正確的測量。

以上便是雙通道渦街流量計信號處理方法的思路分析，通過雙通道的信號處理，最大程度的削弱了現(xiàn)場噪聲，可以實現(xiàn)流量的準確測量，同時也保證了儀表的響應速度。

2.脈動信號的功率最大頻率點周期的估計方法研究

渦街流量計的信號頻率范圍一般為0.2Hz～3kHz，同時流量計在管道振動等干擾下又會在信號上混入許多干擾脈沖。通過“測量通道”輸出的信號已經(jīng)濾除了大部分噪聲，但依然不可避免的存在噪聲對信號造成影響，迫使經(jīng)過濾波輸出的正弦信號在經(jīng)過整形電路之后，輸出的脈沖存在“缺波”或“多波”現(xiàn)象。如何減弱振動干擾影響，提高渦街流量計的測量精度是進一步研究的重點。

根據(jù)對渦街信號特性的理解，設計一種合適的濾波方法來進一步提升渦街頻率測量精度，彌補輸出脈沖可能存在的“缺波”或“多波”現(xiàn)象。目前，已有的脈動信號周期的估計方法主要有兩類：1）采用在線性濾波器下直接對周期捕捉值進行數(shù)字濾波方法；2）先對脈動信號進行A/D轉換，再采用數(shù)字化頻譜FFT方法來分析功率最大頻率點的周期值，這些方法有需要解決數(shù)字化頻譜分析的分辨率和實時性難以兼顧的技術問題，或用了更多的硬件與軟件而不利于實現(xiàn)實際的低功耗儀表。

針對已有技術存在的缺點，本文提出一種脈動信號的功率最大頻率點周期的估計方法，直接根據(jù)脈動信號的周期捕捉數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)中數(shù)值相差最小的數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)的平均值作為脈動信號的功率最大頻率點周期的估計值。這樣既降低了對脈動信號的功率譜估計的計算量，又提高了對脈動信號周期值估計的精度和準確性。

如圖3所示，脈動信號X.連接到一個周期捕捉單元后，再連接到一個數(shù)據(jù)處理單元。周期捕捉單元由一個信號整形單元和一個跳變計時單元組成；信號整形單元將信號X.整形成脈沖信號X2送到跳變計時單元，跳變計時單元對脈沖信號X2的電平跳變周期進行計時，將每次的計時值作為信號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)隊列C中新的c（n）數(shù)據(jù)，再把原數(shù)據(jù)隊列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)處理單元產生新數(shù)據(jù)隊列C=fc（1），c（2），…，c（n）}；數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)每一次新數(shù)據(jù)隊列C搜索m m個數(shù)值相差最小的數(shù)據(jù)組G（即數(shù)據(jù)隊列C中表現(xiàn)最為集中的一組數(shù)據(jù)，n≥m≥2）；再計算出新數(shù)據(jù)組G中m個數(shù)據(jù)的平均值4作為信號XI功率最大頻率點周期的估計值；同時用平均值A作為周期來產生輸出脈沖W。

通過上述脈動信號的功率最大頻率點周期的估計方法，進一步對渦街信號進行濾波處理，剔除由于現(xiàn)場干擾而引起的突變干擾脈沖，最大可能提高了儀表的測量精度和抗振動性能。

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)過功率最大頻率點周期估計之后的輸出波形?？梢钥吹?，經(jīng)過周期估計之后的輸出波形對原始波形進行了彌補，最大程度地還原了代表流量信息的真實波形。

3.系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計方案

圖6所示為整個設計的硬件系統(tǒng)總體結構圖。整個硬件系統(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放大轉換。

2）可控增益調整電路：配合測量通道，完成回路的閉環(huán)自動增益調整。

3）測量通道：整個硬件系統(tǒng)最核心部分，通過帶通濾波器完成信號的濾波處理，并完成脈沖整形任務。

4）監(jiān)測通道：通過脈沖計數(shù)，完成當前流量的實時監(jiān)測，確保測量通道處于正確的頻段。

5）濾波測量單元：通過軟件濾波，完成渦街流量的頻率輸出。

各部分電路之間相互協(xié)調完成整個硬件系統(tǒng)的信號處理。

3.2 軟件設計方案

如圖7所示展示了整個MCU軟件程序設計的架構示意圖，MCU I的程序模塊主要涉及A/D采樣、SPI通信、定時器和UART通信等，其主要完成的功能有：

1）軟件脈沖整形：通過A/D采樣完成TPI的模擬正弦信號到TP4的脈沖信號的整形輸出。

2）濾波頻段選擇策略控制：通過與MCUⅡ頻段、周期等信息的交互，完成當前濾波頻段切換控制。

3）自動增益調整：通過A/D采樣得到的當前TP1模擬信號的幅值信息，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的濾波測量，如圖7所示，通過當前頻段值判斷選取脈沖信號輸入源，然后完成脈沖信號的功率最大頻率點周期估計，形成脈沖輸出送至上位機，通過上位機后期的軟件非線性修正，最終得到流量數(shù)據(jù)進行顯示。

4.實驗分析

本文所設計的渦街流量計在50mm口徑液體管道，采用靜態(tài)容積法進行校準檢定，測量下限達l-2m3/h左右，國內渦街流量計在相同環(huán)境下的測量下限一般為3～50m3/h，拓展了3倍左右的測量下限，使量程范圍擴大了3倍。

同時，所設計的渦街流量計在lg振動加速度情況下，測量量程范圍可達30～400m3/h，而目前國內渦街流量計在無振動加速度情況下的測量量程范圍也只為30～400m3/h。

5.結束語

本文在總結當前國內外渦街流量計研究的基礎上，提出一套全新的高性能渦街流量計信號處理方法，通過對渦街流量計信號特點的分析，設計了一套雙通道渦街流量計信號處理方法，并通過脈動信號功率最大頻率點周期估計軟件算法，進一步提升了測量的精度。