為提高渦街流量計(jì)的測量性能，提出一套雙通道渦街流量計(jì)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(yùn)用脈動信號功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)算法，進(jìn)一步提升測量的精度和抗震動性能，并設(shè)計(jì)基于 MSP430 的渦街信號處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該信號處理方法能有效提升渦街流量計(jì)的測量性能。

0.引 言

渦街流量計(jì)作為一種新的速度型流量計(jì)，具有量程相對較寬、適用流體種類多、結(jié)構(gòu)簡單牢固、安裝維護(hù)方便、校驗(yàn)簡便等特點(diǎn)。現(xiàn)在渦街流量計(jì)已應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)工程、生物技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。目前高性能的渦街流量計(jì)被國外產(chǎn)品所壟斷，而低流速不可測或測不準(zhǔn)、抗振動性能差等因素成為了制約國內(nèi)渦街流量計(jì)性能的瓶頸。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(yán)格的數(shù)字化頻譜分析難以同時(shí)兼顧分辨率和實(shí)時(shí)性。浙江大學(xué)的徐國梁等，提出信號增益控制結(jié)合譜分析的方法，并進(jìn)行了相關(guān)的電路方案設(shè)計(jì)。天津大學(xué)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(jì)信號。合肥工業(yè)大學(xué)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(zhǔn)確捕捉。

本文針對渦街流量計(jì)低流速不可測或測不準(zhǔn)、抗振動性能差等問題，設(shè)計(jì)了一套雙通道渦街流量計(jì)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***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)軟件算法，進(jìn)一步提升測量的精度和抗震動性能。

1.雙通道渦街流量計(jì)信號處理方法分析

1.1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(jìn)行處理，使信號的幅值維持在一定范圍內(nèi)。

針對渦街信號按平方增長的幅頻特性，考慮設(shè)計(jì)擁有 1/f 2 衰減（-40 dB/dec）特性的濾波單元來對原始信號的幅頻特性進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)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； f0 —濾波器截至頻率。

該濾波器表現(xiàn)為一個(gè)二階低通濾波器，當(dāng) f>>f0時(shí)，濾波器的傳遞函數(shù)近似為 1/f 2 衰減曲線。因此，理論上當(dāng)渦街信號頻率處于遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)折頻率的頻帶上時(shí)，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(guān)系。同時(shí)，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(gè)擁有 1/f 2 衰減的二階低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)渦街信號幅值在整個(gè)動態(tài)范圍內(nèi)自動調(diào)整。但實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度隨著流速的增加而增強(qiáng)，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(shí)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（-40 dB/dec）。設(shè)計(jì)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(gè)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)對高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率進(jìn)行分段濾波處理。

對于高頻段信號，考慮到前端傳感器進(jìn)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(guān)系增長規(guī)律，如果繼續(xù)使用 1/f 2 衰減曲線，則會導(dǎo)致信號幅值衰減過小。同時(shí)由于此時(shí)信號的信噪比已經(jīng)較高，故將低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率后移，使低通濾波器基本放開。

下面以 50 mm 口徑液體為例進(jìn)行低頻段和高頻段信號的具體處理說明：

50 mm 口徑液體的信號頻率范圍為 2～140 Hz（fmin=2 Hz，fmax=140 Hz），根據(jù)對前端傳感器信號的測量處理經(jīng)驗(yàn)，劃分信號頻率段區(qū)間為：低頻段：2～16 Hz高頻段：16～140 Hz

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(guān)系增長的規(guī)律，故選取二階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 fL=fmin/2=1 Hz。而對于高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率進(jìn)行分段處理，分別選取 fH=fmin=2 Hz、fH=2×fmin=4 Hz、fH=4×fmin=8 Hz，進(jìn)而將低頻段分為 2～4 Hz、

4～8 Hz、8～16 Hz 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(zhuǎn)折頻率 fL=fmax/2=70 Hz，既保證信號的正常輸出，同時(shí)抑制一定的高頻噪聲。選取高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 fH=8×fmin=16 Hz。

上述所分析的四頻段信號處理方法構(gòu)成了整個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)測量通道所輸出的當(dāng)前信號頻率值判斷選取相應(yīng)的頻段。現(xiàn)在假設(shè)出現(xiàn)這樣一種情況：當(dāng)前信號頻率 fs=3 Hz，位于頻段 1，由于現(xiàn)場流速的突然改變，信號頻率突變?yōu)?/span> fs=100 Hz，同時(shí)現(xiàn)場存在一個(gè)強(qiáng)度比較大的低頻擺動噪聲信號 fz=3 Hz。

此時(shí)真正的信號頻率 fs=100 Hz，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=3 Hz 經(jīng)過頻段 1 恰好能夠正常輸出，這就導(dǎo)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(shè)計(jì)一個(gè)一階低通濾波器與一個(gè)一階高通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器，組成“監(jiān)測通道”。因此設(shè)計(jì)一階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為 fL=fmax/2=70 Hz，一階高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為 fH=8×fmin=16 Hz，其幅頻曲線如圖 2 所示。

當(dāng)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(nèi)的高頻段幾乎暢通（帶寬 16～70 Hz），所以能夠快速正確地反映高頻段信號的變化。當(dāng)監(jiān)測通道“得知”現(xiàn)在是高頻流速信號這個(gè)“信息”之后，“通知”測量通道切換到頻段 4（高頻段），從而可以進(jìn)行正確的測量。

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

2.脈動信號的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)方法研究

渦街流量計(jì)的信號頻率范圍一般為 0.2 Hz~3 kHz，同時(shí)流量計(jì)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(jì)的測量精度是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

根據(jù)對渦街信號特性的理解，設(shè)計(jì)一種合適的濾波方法來進(jìn)一步提升渦街頻率測量精度，彌補(bǔ)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(jì)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(jìn)行數(shù)字濾波方法；2）先對脈動信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，再采用數(shù)字化頻譜 FFT 方法來分析功率***大頻率點(diǎn)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(shí)時(shí)性難

以兼顧的技術(shù)問題，或用了更多的硬件與軟件而不利于實(shí)現(xiàn)實(shí)際的低功耗儀表。

針對已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本文提出一種脈動信號的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)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***小的數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)的平均值作為脈動信號的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)值。這樣既降低了對脈動信號的功率譜估計(jì)的計(jì)算量，又提高了對脈動信號周期值估計(jì)的精度和準(zhǔn)確性。

如圖 3 所示，脈動信號 X1 連接到一個(gè)周期捕捉單元后，再連接到一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。周期捕捉單元由一個(gè)信號整形單元和一個(gè)跳變計(jì)時(shí)單元組成；信號整形單元將信號 X1 整形成脈沖信號 X2 送到跳變計(jì)時(shí)單元，跳變計(jì)時(shí)單元對脈沖信號 X2 的電平跳變周期進(jìn)行計(jì)時(shí)，將每次的計(jì)時(shí)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(duì)列 C 中新的 c（n）數(shù)據(jù)，再把原數(shù)據(jù)隊(duì)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(chǎn)生新數(shù)據(jù)隊(duì)列 C={c（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(duì)列 C 搜索出 m 個(gè)數(shù)值相差***小的數(shù)據(jù)組 G（即數(shù)據(jù)隊(duì)列 C 中表現(xiàn)***為集中的一組數(shù)據(jù)，n≥m≥2）；再計(jì)算出新數(shù)據(jù)組 G 中 m 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值 A 作為信號 X1 功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)值；同時(shí)用平均值A 作為周期來產(chǎn)生輸出脈沖 W。

通過上述脈動信號的功率***大頻率點(diǎn)周期的估計(jì)方法，進(jìn)一步對渦街信號進(jìn)行濾波處理，剔除由于現(xiàn)場干擾而引起的突變干擾脈沖，***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***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)之后的輸出波形?？梢钥吹?，經(jīng)過周期估計(jì)之后的輸出波形對原始波形進(jìn)行了彌補(bǔ)，***大程度地還原了代表流量信息的真實(shí)波形。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)方案

圖 6 所示為整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)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(zhuǎn)換。

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

3）測量通道：整個(gè)硬件系統(tǒng)***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(wù)。

4）監(jiān)測通道：通過脈沖計(jì)數(shù)，完成當(dāng)前流量的實(shí)時(shí)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(diào)完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的信號處理。

3.2軟件設(shè)計(jì)方案

如圖 7 所示展示了整個(gè) MCU 軟件程序設(shè)計(jì)的架構(gòu)示意圖，MCU I 的程序模塊主要涉及 A/D 采樣、SPI 通信、定時(shí)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 TP1 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(dāng)前濾波頻段切換控制。

3）自動增益調(diào)整：通過 A/D 采樣得到的當(dāng)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(dāng)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***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)，形成脈沖輸出送至上位機(jī)，通過上位機(jī)后期的軟件非線性修正，***終得到流量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

4.實(shí)驗(yàn)分析

本文所設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)在 50 mm 口徑液體管道，采用靜態(tài)容積法進(jìn)行校準(zhǔn)檢定，測量下限達(dá)1.2 m3/h 左右，國內(nèi)渦街流量計(jì)在相同環(huán)境下的測量下限一般為 3～50 m3/h，拓展了 3 倍左右的測量下限，使量程范圍擴(kuò)大了 3 倍。

同時(shí)，所設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)在 1 g 振動加速度情況下，測量量程范圍可達(dá) 30～400 m3/h，而目前國內(nèi)渦街流量計(jì)在無振動加速度情況下的測量量程范圍也只為 30～400 m3/h。

5.結(jié)束語

本文在總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外渦街流量計(jì)研究的基礎(chǔ)上，提出一套全新的高性能渦街流量計(jì)信號處理方法，通過對渦街流量計(jì)信號特點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)了一套雙通道渦街流量計(jì)信號處理方法，并通過脈動信號功率***大頻率點(diǎn)周期估計(jì)軟件算法，進(jìn)一步提升了測量的精度。