（检测技术与自动化装置专业论文）高性能涡街流量计信号处理模块的研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：雌日期：趔出秒 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蕴辫导师签名：斗日期：尘塑蕴。三= ! 口 上海大学硕士学位论文 摘要 当前涡街流量计信号处理的技术难点之一是提高低流速时流量的测量性 能，提高涡街流量计性能的重点就是拓展低流速测量的范围。本文回顾了国内 外关于涡街流量计信号处理的研究概况，根据涡街信号的组成和特点，提出了 基于动态滤波技术和双通道信号处理方法的涡街信号处理方法，并针对该设计 方案进行了具体的软硬件设计。 本文首先从流量仪表的意义出发，介绍了涡街流量计的主要特点、基本原 理及结构。同时，介绍了国内外关于涡街流量计信号处理方面的研究现状，阐 述了本课题的研究意义及内容。 本文接着通过对涡街流量计信号组成与特点的分析，总结了信号处理中的 两个难点：在整个测量范围内，不但涡街信号的幅值跨度大，并且信号的信噪 比变化大。本文首先提出了基于动态滤波技术的信号处理方法，该处理方法可 以有效捕捉低流速下的流量信号；继而提出了双通道信号处理方法，即将传统 中高流速的处理方法与动态滤波技术相结合，针对不同频带涡街信号的特点对 信号做分段处理，提高了涡街信号全频带的信噪比。基于上述两项技术，本文 对设计方案进行了软硬件具体实现的探讨，包括硬件系统相关电路的设计与分 析、软件系统的结构及主要功能的设计等。 最后，本文通过对相关实验的分析验证了此信号处理模块的有效性、实用 性。本文设计的涡街流量计信号处理模块在实验装置上进行了大量实验测试， 并进行了d n 5 0 和d n l 0 0 两种口径气液介质的正规校准实验，结果表明本涡街 流量计信号处理模块具有很低的测量下限，有效地扩大了涡街的量程比，抗干 扰能力强，实时性好，具有很高的实用价值。 关键词：涡街流量计、信号处理、量程 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h 鹤i i lv 0 r t e xs i 印a lp r o c e s s i n gi s t 0p r o m o t et l l em e 弱蝴e i l tp r e c i s i o na tl o wn o wr a t e ，b e c a u s ei t si i i l p o r t a mf o rm e p 耐- o 肌a i l c eo fv o r t e xf l o 砌e t e r s a c c o r d i n gt om ec h a r a c t 西s t i co fd e a lv o r t e x s i 朗a l ，m es i 印a 1p r o c e s s i n gm e t h o d so ft h ed ) r i l 锄i c6 l t 舐n ga n dd o u b l ep r o c e s s i n g c h a l l l l e l si ss n l d i e di nt l l i sp 印既1 1 1 eh a r d w a r ea 1 1 ds o r w a r ed e s i 盟o ft h es i 印a l p r o c e s s i n gm o d _ u l ea r ea l s o 百v e n f i r s t l y 也ec h 删耐s t i c ，p n n c i p l e 钺l ds 仃l l c t u r eo fm ev o r t e xn o w m e t e ra r e 锄胁d u c e d 1 1 1 er e s e a r c h e so fv o n e xs i 印a lp r o c e s s i n ga th o m e 觚da b r o a d 盯e 州e w e d 1 1 1 吼m r o u g l lm e 趾a l y s i so fn l ec h 戤哦嘶s t i ca n dc o n l b i n a t i o no fv o n e x s i 盟a l ，t 、) i r od i 衔c u l t i 鹤i i ls i 印a 1p r o c e s s i n ga r es 明m 耐z e d ：( 1 ) t h e 锄p l i t u d eo f v o r t e xs i 印a lc h a i l g e s 黟e a t l yi i lt l l e 舳g eo fm e a s 硼珊e n t ；( 2 ) m es n ro fv o r t e x s i 弘a lc h a n g 骼伊e a t l yi nt l l e 湖g eo fm e 删e n t t 1 w 0s i 弘a lp r o c e s s i n gm e t l l o d s a 佗s t u d i e dt 0c o v e rm 即ed i 伍c u l t i 懿t h ef i r s tm e t l l o db a s e do nm ed y i l 锄i c f i l t e f i n gt e c l l l l o l o g yw o r k s w e l li nt l l em e 嬲切留【i l e n to fl o wn o wr a t e t h es e c o r l do n e w i mm ed 0 1 l b l ep r o c 豁s i n gc h a n n c l sc o m b i i l 髓l ec 0 蜘m o np r o c e s s i n gm 甙h o df 0 r l l i g l lf l o wr a ：t ea n dt l l ed y n 锄i cf i l t 耐n gt c d m o l o g ) rf o rl o wf l o wr a t c ，w l l i c hi sv c f y h e l p 觚衙m ei 1 i l p r 0 v 锄e n to fs n ri nm e 蛔u e i l c yb 锄do fm e a s 瑚砌饥t a c c o r d i n gt 0 l i st w os i 印a lp r o c 髓s i i 培m e m o d ，t l l ek 瞳1 w a r e 孤l d 腑a r cd 骼i g n o fm es i 印a lp r o c e s s i n gm o d u l ef o rv o r t e xn o w m e t c ra r ed i s c l l s s e d l a 巩t h ev o r t e xn o w m e t e r 州p p c dw i mm i ed e s i 印e ds i 印a lp r o c e s s i i l g m o d u l ei ss t i l d i e da td n 5 0 锄dd n 10 0p i p c l i n e si i lw a 嘧觚dg 觞e x p 耐m e 鹏n e r e s u l ts h o w sn l a tm ev o r t e xf l o w m e t 髓w i mn l ed 鹪i g n e dt l i g hp e f f o m a n c es i 印a l p r o c e s s i i l gm o d l l l eh 鹬al o w e rn o wm t e1 i l l l i t 、j l ，：i l i c hi i l c r c 弱嚣t l l e 舳g em t i o e f f & t i v e l y ，s 呐n g 姐t i ? j 枷i n ga b i l 时a n dg o o dr e a l 矗m ep e 晌m 锄t h _ u s ，i ti s o fg r e a tp r a c t i c a b i l i 劬 k e y w o r d s ： v o r t e xn o w m e t e r ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，r a n g er a t i o 2 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 l 世纪是信息的世纪，作为感知、采集、转换、处理和传输各种信息不可 缺少的检测技术和仪表，已成为与计算机技术同等重要的技术而深入日常生活 及生产的所有领域。随着科学技术的突飞猛进，工业生产得到不断发展，对检 测技术又提出了许多新的要求，而新的检测技术和仪表的出现又进一步推动了 科学技术的发展，因此检测技术的发展程度决定了科学技术的水平。这其中， 作为检测技术重要组成部分的流量计量由于与国民经济、国防建设、科学技术 的密切关系，在经济发展中占有重要的地位。 经过不断的努力和探索，科技工作者已开发出种类繁多、各具特色的流量 仪表。按照测量方法和结构的分类方法，将流量计分成差压式流量计、容积式 流量计、流体振动式流量计、超声流量计、质量流量计、插入式流量计、明渠 流量计和其他流量计共十一大类【l 】。本课题研究的涡街流量计属于流体振动式 流量计中应用最为广泛的一种。 涡街流量计作为一种新的速度型流量计，具有量程相对较宽，适用流体种 类多( 液体、气体、蒸汽及一些两相流体，如饱和蒸汽) ，结构简单牢固，安装 维护方便，压力损失低，校验简便( 采用一种典型介质校验即可，甚至可干校验) 等特点。人们从6 0 年代末开始研制封闭管道涡街流量计，热丝检测法及热敏检 测法涡街流量计诞生；7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，众多类型阻流体 及其检测法的涡街流量计开发并大量生产投放市场；到了9 0 年代中后期，涡街 流量计在世界范围内流量仪表总量中的台数约占3 5 ，金额占4 6 【2 1 。 涡街流量计近年来发展迅速，目前已跻身于通用流量计之列。 现在涡街流量计已应用在工业生产、能源计量、环境保护工程、交通运输、 生物技术等各个领域。目前高性能的涡街流量计被国外产品所垄断，国内的产 品多面向为中低端的应用需求。 5 上海 学碗学位进文 1 2 涡街流量计的工作原理与结构 涡街流量计利用流体振动原理进行流量测量，在特定的流动条件下，它的 一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速( 流量) 有确定的比例关 系。1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s 仃o l 】l i 出) 发表了关于流体振动频率与流速关系的文章， 斯特劳哈尔数就是表示漩涡频率与咀流体特征尺寸、流速关系的参数。涡街流 量计仪表内无机械可动部件使用寿命长，测量精度相对较高。 涡街流量计的基本原理是吼在与被测介质流向垂直的方向放置一个非流 线型漩涡发生体，当流体流过该漩涡芨生体时在发生体后方两侧交替地分离 释放出两列规则的交错排列的漩涡，称为冯卡尔曼涡街，如图l l 所示。当 漩涡发生体右( 或左) 下方产生一个漩涡后，在漩涡发生体上产生一个升力。 在漩涡发生体的后方安装应力式压电传感器，可咀将作用在漩涡发生体上盼升 力转换为电荷信号。电荷的变化频率与漩涡的脱离频率一致。通过检测压电传 感器输出信号的变化频率，就可以得到漩涡的分离频率。 够。 广 圈1 1 卡尔曼涡街 由相关实验可知，当雷诺数船在2 x 1 0 4 7 x 1 0 6 范围内，斯特劳哈尔数品几 乎不变，这样可以在较大的流速范围内保证漩涡的分离频率正比于管道内的平 均流速，从而由频率得到流体的流速： ，= ( s ，v ) d ( 1 _ 1 ) 式中： s 斯特劳哈尔数；，输出频率爿b 上海大学硕士学位论文 v 流体流速7 ，妇；j 漩涡发生体宽度聊。 在工程中应用涡街流量计时，常使用公式为： g ，= 3 6 0 0 厂k ( 1 2 ) 式中： 毋广一体积流量掰锄：弘一仪表系数所。 仪表系数k 作为一个测量常数与发生体、测量管的几何尺寸及斯特劳哈尔 数有关。对于三角柱漩涡发生体，其传感器仪表系数k 经推导可得【3 】： 肚一 m 3 ， ( 1 - 1 2 5 争 。3 ) 要准确测得漩涡的分离频率，就可准确得知被测管道内流体流量。涡街流量计 的输出由仪表系数来描述，由图1 2 所示，仪表系数尽管随雷诺数变化( 仪表 k 俐钟 l p u i g e 客弦r o n 琵v o l u l n e ，r 彰泪g 舢m b 钟 图l 一2 仪表系数与雷诺数关系曲线 7 上海大学硕士学位论文 根据雷诺数公式： r e ：户坐 ( 1 4 ) 刁 式中： 户- 、流体密度姆锄，；叩- 粘滞系数p 口s ； v 流速删每；d 管道直径册。 在密度、动力学粘滞系数与管道直径不变的条件下涡街的雷诺数与流速成 正比。可见，理论上涡街流量计测量的量程比可达几百比一，但现有涡街产品 的测量能力却远小于此。国外高性能的涡街流量计产品可达到3 5 ：1 到4 0 ：1 的 水平，如美国r o s e m o u n t 公司的涡街流量计对液体的量程比为3 5 ：1 ，对气体的 量程比为3 8 ：1 【4 】。而国内涡街流量计产品量程比多为1 0 ：1 到1 5 ：1 的性能水平。 低流速不可测量或者测量不准的状况成了制约国内涡街流量计性能和应用领域 的瓶颈。 1 3 国内外研究概况 目前，将涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题：一是抑制流 场噪声的影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响， 而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响，附加的漩涡干扰了涡街信号， 降低了信噪比；二是准确测量小流量，因为小流量所产生的漩涡压力较小，初 始信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量 程下限死区，从而造成量程比受限，小流量不能测量。 理想情况下，涡街传感器的输出信号是正弦波，但实际测量中不可避免地 掺杂各种噪声干扰，如何从含有噪声分布的信号中提取有用信息就是信号处理 方法需待解决的问题。传统的模拟涡街流量计的信号处理方法是基于一套模拟 电路，包括前置放大电路、滤波电路、整形电路和脉冲信号输出电路等。实践 证明，在高信噪比的情况下，这种模拟信号处理方法处理涡街流量计检测信号 8 上海大学硕士学位论文 的效果是很好的，但是，当信噪比较低、检测信号中包含了幅值较大的周期性 或冲击噪声时，模拟信号处理方法不能有效地滤除噪声成分，容易造成整形时 的误触发，产生错误的测量结果【5 1 。 关于涡街流量计信号处理模块的研究主要集中在寻找合适的信号处理方 法，以此来改善量程、精度等瓶颈问题。国内外学者都发表过相关的研究内容 与成果。 1 3 1 国外研究概况 1 9 9 0 年，s d l l a t t e r 等人研究了旋涡流量计工作条件下的噪声情况，在建立 噪声模板和信号模板的基础上，提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法 来消除流量测量中的强噪声【6 1 。但是，这种方法只针对某种特定的噪声，实际中 噪声情况多种多样，不易获得所有噪声的模板。 1 9 9 2 年，k l w 锄。在涡街信号处理方面通过增强非流线体的刚度和由微处 理器控制的自适应低通滤波方法来提高流量计的信噪比，并采用自适应低频信 号截止辨识器，根据信号频率来调整滤波器的截止频率提高仪表可靠性【7 1 。 1 9 9 3 年，a m a d i e 研究了工作环境的噪声对漩涡脱离频率的影响【8 】，分别 给出了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下，流量计传感器输出信号， 采用基于f f t 的谱分析来计算涡街信号频率，提高了流量计的测量精度。 1 9 9 7 年，m 锄z 将传感器融合应用于流量计测量，研究了以超声波为探测元 件的涡街流量计【9 】，这种流量计既可以直接测量涡街分离的频率，也可以测出旋 涡通过两个测量点的时间，再计算流量。用融合的方法将这两种测量结果进行处 理，得到新的测量值，从而提高了测量精度，削弱流体噪声的影响。 目前，国外一些生产涡街流量计的公司，如f o x b o r 0 ，r o s 锄o u n t ，y 0 k o g a 、砚 等也积极进行着涡街流量计信号处理新技术的研究，并已有相关产品问世，欧 美发达国家的涡街流量计产品代表着世界一流技术水平，他们研究采用的相关 技术也给与了我们很多得借鉴。 f o x b o m 公司采用自适应滤波( a d a p t i v ef i l t 神技术来提高流量测量的精度 【1 0 1 ，见图卜3 。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 9 上海大学硕士学位论文 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。 图卜3 频率自适应跟踪法框图 r o s 跗l o u n t 利用涡街信号输出频率与幅值的特性，根据流量计的口径和流 体类型( 液体或气体) 构建了专门的数字带通滤波器，并运用d s p 技术实现了 该滤波器参数的优化和调整【4 】【l l 】，见图l - 4 。该带通滤波器由独立的低通和高通 滤波器级连构成。前级的低通滤波器使信号幅值产生j 2 的衰减，滤波后涡街 信号的幅值大致维持在一个常量上。而高通滤波器则根据涡街信号的频率动态 调整，保证了在噪声最小化的同时涡街信号的强度不变，见图卜5 。最后，再 运用信号阈值探测算法，即预置触发电平的方法，使涡街信号有足够的幅值“突 破 该电平，而经过前级衰减的噪声将被滤除。 图卜4 数字滤波与信号阈值探测法框图【l l 】 1 0 上海大学钡士学垃论文 图卜5 如s 钿。u n t 数字滤波器幅频响应曲线f 4 】 日本y o k o g 删a 公司的频谱信号处理方法【1 1 的实质也是信号频率跟踪，见 图卜6 。其特点是由6 个频带的数字带通滤波器( 图卜6 中的标号2 4 部分) 对信 号频率大致定位，即根据涡街信号幅值与频率关系进行粗略的谱分析，并以此 指导带通跟踪滤波器转折频率的选择。最终得到较为精确的频率值。 图l _ 6 频谱信号跟踪法框图1 1 2 l 迄今为止，高性能涡街流量计产品几乎被欧美和日本公司垄断。根据这些 公司发表的相关技术号利可以看到，他们基本上都是采用信号频率跟踪的方法。 1 3 2 国内研究概况 由于涡街流量计的各种优点和对其认识的深入，涡街流量计在国内各行各 业的使用量逐渐增大，各高校、研究所和流量计生产厂商的学者和研究人员也 对此展开了各方面的研究，信号处理方法的研究和实现也是其中的一个重点。 中国专利9 9 1 0 1 2 0 9 7 【1 3 墟出采用数字化频谱分析方法来测量涡街信号频 率。该方法主要利用d s p 对经前级放大与a d 转换的涡街信号进行f f t 谱分析t 上海大学硕士学位论文 根据谱分析结果来推断涡街信号的频率。专利中指出，为了达到0 2 的精度， 一次谱分析的时间需达2 7 秒之多，可见严格的数字化频谱分析难以同时兼顾分 辨率和实时性。因此，目前该方法只应用于特定的涡街信号发生模板，尚未见 实际试验数据。 浙江大学的徐国梁等，提出了信号增益控制结合谱分析的方法，并进行了 相关的电路方案设计【1 4 】。该方法采用了增益自适应差动电荷放大器消除了同向 干扰，并输出接近a d 满量程的信号，采用低功率单片机实现信号谱分析。此 设计只是方案设计，未见实际测试数据。使用低功耗单片机来进行谱分析是否 能满足实时的测量效果也是其中的一个问题。 天津大学的张涛和段瑞峰等采用松弛陷波周期图谱方法分析涡街流量计信 号，拓展流量计量程下限，并以该算法为核心，研制了基于d s p 和m s p 4 3 0 单片 机的数字信号处理系统【1 5 】。但是该系统结构复杂，成本较高，且实验测试数据 中个别测试点的重复性不佳，但在方法上作了探索。 合肥工业大学自动化研究所的徐科军等采用了多种数字处理方法探索涡街 信号的准确捕捉，包括基于f f t 的经典谱分析方法【1 6 】，基于b u r g 算法的现代谱估 计方法【1 7 1 ，自适应陷波方法【1 钔，小波分析方、法【1 9 】【2 0 1 ，功率谱分析与互相关方法 【2 1 】等。其中，有些数字方法仅在理论上进行了模拟仿真，有些处理方法则有着实 际应用中难以克服的问题，包括功耗、实时性等。各种数字处理技术在方法上给 与了我们以启示。 1 4 论文主要研究内容及编排 1 4 1 论文主要研究内容 当前涡街流量计性能的主要瓶颈在于量程比不宽，低流速下测量精度不高， 一般国内相关产品在保证精度的范围内量程比仅为1 0 ：卜1 5 ：1 ，而国外相关产 品则高达4 0 ：1 ，因而能使涡街流量计的应用领域更广。造成量程比问题的主要 原因在于涡街信号处理中的两个难点： 1 2 上海大学硕士学位论文 第一，涡街信号幅值跨度大。对于使用最广泛的应力式涡街流量计，其信 号幅值正比于信号频率的平方。在流体密度恒定条件下，对于国外的高性能产 品，通常测量的流量量程要达4 0 ：1 ，对应的信号幅值变化范围就要达到1 6 0 0 ：1 。 这就会对信号处理和测量带来较大的困难。 第二，在整个测量范围内，信号的信噪比变化大。涡街流量计主要噪声源 有流体流动噪声、涡街分离过程中产生低频的噪声( 又称为低频摆动噪声) 、机 械振动干扰和电磁干扰等。可见涡街信号在整个量程范围内既有低频噪声干扰， 又有高频噪声。在高流速条件下，涡街信号幅值较大，信噪比大，信号处理比 较容易，随着流速的降低，信号幅值呈流速的平方关系下降，此时要在强噪声 中捕捉真实的涡街信号就非常困难。 因此只有对低流速信号和噪声进行鉴别与处理，提高信噪比，仪表的量程 比和精度性能才能有根本上的提高。本课题根据涡街流量计信号与噪声的特点， 提出了新的信号处理方法，并给出了具体设计方案，使涡街流量计信号处理模 块在整个信号频率段上提高信噪比，从而实现对整个工作频率段涡街信号频率 的准确捕捉。同时低功耗的设计使整个涡街流量计的信号处理模块能在4 2 0 m a 的二线制条件下实现，并完善了相关工业使用功能以及操作，使实验样机初步 具备产品化特性。 本课题主要研究内容： 1 ) 高性能涡街流量计信号处理方法理论与实现技术研究。根据涡街流量计信 号与噪声的特点研究涡街流量计的信号处理方法，通过提高信噪比来准确 提取涡街信号。 2 ) 高性能涡街流量计信号处理模块的产品化技术的研究与实现。以上述方法 为核心，研究高性能涡街流量计产品化技术，使整个信号处理模块在主要 性能上比现有国内产品有较大提升。 1 4 2 论文的编排 本论文共分六章，全面系统地介绍了高性能涡街流量计信号处理模块的研 究思路、具体实现方法以及相关实验、校准检定结果的讨论。 上海大学硕士学位论文 第一章从流量仪表的意义出发，介绍了涡街流量计的主要特点，基本原理 及结构。同时，回顾了国内外关于涡街流量计信号处理方面的研究现状，阐述 了本课题的研究意义及内容。 第二章分析了涡街信号的组成、特点及各种噪声对信号的影响，随后阐述 了动态滤波信号处理方法和双通道信号处理方法的研究内容。本章的原理方案 设计为具体的软硬件设计提供了指导依据。 第三章介绍了高性能涡街流量计信号处理模块的硬件实现，包括前置放大 电路、动态滤波放大单元、信号阈值整形器及单片机相关控制电路设计。 第四章介绍了高性能涡街流量计信号处理模块的软件实现，阐述了模块化 的功能设计思想及相关功能块的实现方法。 第五章介绍了该流量仪表的实验检定装置，并分析了相关测试内容与数据 结果。 第六章在总结全文的基础上指出了研究内容的不足，并针对有待完善的研 究内容提出了下一步的工作展望。 1 4 上海大学颅l 。学位论空 第二章涡街信号处理方法的研究 2 1 涡街流量计信号特点与分析 第一章的l2 节介绍了涡街流量计的基本工作原理，其毛要测量原理为： 由传感器输入的涡街信号频率与流速成正比，若准确测得信号频率即可求得当 前的流速。现在国内最常用的涡街流量计传感器采用分离式的压电传感器传 感器部分组成结构如图2 一i 所示，压电传感器安置于涡街发生体后方位簧，采 用悬臂梁结构，我们实验中所使用的也是此类涡街流量计，包括浙江迪元仪表 有限公司、上海肯特智能仪器有限公司、天津仪表集团有限公司的产品，它们 在机械结构、尺寸及传感器的选择上大致相同。 国 1 分离式砾电传感器结构 当受到经过涡街发生体的漩涡产生的差压后，压电传感器受力产生电荷量 漩涡产生的差压可以由下式表示【2 2 】： p = q 咧2 砂) ( 2 _ - ) 式中： t 压力系数；p 流体密度培，一： 矿流速；，涡街频率胁。 t 冉大学磺士学位惦空 式中 因此压电元件所受的力可由下式表示t f = ；q 。z 2 础) 2 ” 、一 一压电元件受力面积m 2 。 ( 2 2 ) 又因为压电元件受力产生的电荷量与其受力成正比关系，由下式所示鲫， q - = d ， ( 2 3 ) 式中： ，压电元件所受到的作用力脶 岛电荷量c t d 压电常致。 电荷信号经过第一级电荷放大罂( 电荷放大器相关讨论见3 2 节) 的转换， 把输入的电荷量转化为了电压量，此电压量正比于输入电荷量。这个初始电压 量就是我们需要进行处理的信号其波形近似于正弦波波形如图2 2 所示。 _ _ m 口 &弹 一 图m ，0 叩口径灌体测试表的电压信号( 额串2 0 ) 由以上的讨论推导可知，信号的频率等于漏街的频率流量与该频率量成 正比( r 崔，) ：当流体密度不变时，信号的幅值则正比于流速的平方，即信号 频率的平方( 一z 厂) 。因此在小流量状态由于信号频事降低，幅值的减小量会 很大。要实现一个高性能的涡街流量计，通常澍的量程指标要选4 0 ：1 对应 的信号幅值变化范围就要达到1 6 0 0 ：1 。这就会对信号处理和铡量带来较大的困 纂 ；一一一 二阿b 上海大学硕学位论文 难，如果采用数字化处理方法，如此大的信号幅值跨度难以确保后级直接数字 化测量的精度。 信号中除了我们需要的涡街正弦信号外，信号中还叠加了各种其他噪声， 为我们处理信号带来了很大的困难，这些噪声主要包括【蚓： ( i ) 流体流动噪声 由于管道上下游存在着各种阻力件如阀门、弯头、t 形管、扩张管和收缩 昔等，它们的存在会影响管道的压力分布，从而导致管道内流速分部不均匀， 同时产生流体扰动和杂乱的漩涡流。这种干扰会使涡街信号的信噪比降低，并 且破坏管道内流场的均匀性和对称性。流场的不稳定及不均匀性会对涡街传感 器施加不规则的附加作用力。这种作用力引起的噪声幅度、频率均不规则，呈 现很大的随机性。 ( 2 ) 流体低频摆动噪声 当规则涡衡产生后，在工作信号上会叠加一种五分之一到十分之一涡街频 率的低频噪声，其幅度和频率的高低与涡街发生体的几何形状和加工精密程度 有关，表现为一个正常正弦信号叠加在低频的正弦信号上，形成了调制的效果。 ( 3 ) 机械振动噪声 输送流体的管道偶尔受至u 外力撞击，会产生随机振动噪声。各种动力源， 如水泵、压缩机等的振动由管道传递到传感器上，形成振动噪声。 。- 一n 图2 f 3 涡街信号幅额关系及其与噪声关系【2 5 l 图2 3 为涡街流量计信号与噪声的信噪比关系，横轴为信号频率，纵轴为 上海大学硕士学位论文 信号幅值。可见，在高流速条件下，涡街信号幅值较大，信噪比大，信号处理 比较容易。随着流速的降低，信号幅值呈流速的平方关系下降( 彳贸厂2 ) ，此时 要在强噪声中捕捉真实的涡街信号就非常困难，从而造成流量计性能参数中的 量程比低的缺点。 由上述讨论可见，当前涡街流量计性能的主要瓶颈在于量程比不宽，低流 速下测量精度不高，造成这个问题的主要原因在于涡街信号处理中的两个难点： 第一，在整个测量范围内涡街信号的幅值跨度大；第二，在整个测量范围内信 号的信噪比变化大。 这两个难点也是解决问题的入手点，只有通过合适的信号处理方法才能解 决它们对准确捕捉信号的影响。 2 2 基于动态滤波的信号处理方法的研究 2 2 1 数字跟踪技术的研究 在传统的涡街流量计信号处理方法中一般由前置放大、低通或者带通滤波、 整形及触发电路组成，见图2 4 。 龟籍方撵圈 辣冲输出i 图2 4 传统涡街信号处理框图【2 6 】 由于在低流速情况下的信噪比不佳，同时滤波器只对信号频率范围外的噪 1 8 上海大学硕士学位论文 声有效，而信号频率范围内的噪声仍然存在，采取简单高倍放大、固定带宽滤 波器的方法容易使触发电路产生丢脉冲或者多脉冲的情况，会使测量频率偏小 或者偏大，精度和重复性差，所以采用这种处理方法的涡街流量计生产企业都 放弃了低流速下的测量，造成量程偏小的情况，限制了涡街流量计的应用范围。 因此需要针对涡街信号的特性采用与传统方法不同的信号处理方法来解决 此问题。传统处理方法由于使用整形、固定阈值的触发的方法来提取信号频率， 因此只要通带内噪声与信号幅值相当那么在整形触发中就会被误认为是信号， 产生误触发，也可能由于低频摆动噪声使信号饱和失真，造成在整形触发时丢 失信号。为了解决此问题，我们考虑使用数字跟踪的方法来跟踪信号的变化， 摆脱固定阈值带来的处理限制。 本设计使用的数字跟踪处理方法是基于以下的设计思想：使用a d c 采集当 前的信号，输入至信号处理单元，通过相关算法处理判断，找到该信号的边沿 ( 上升沿和下降沿) ，同时在算法中加入动态的阈值判断以防止信号中各种噪声 形成的尖峰被误判为信号的边沿，当准确得到信号的边沿后也就得到了信号的 频率信息。由于涡街信号( 不同口径和介质) 的频率范围最高只达到4 k h z ，对 a d c 采样和算法判断时间要求不高，可以达到处理的实时性要求。 具体处理框图和该方法处理效果如下所示： l 一卜 图2 5 数字跟踪方法的实现框图( 左) 图2 - 6 数字处理方法捕捉信号的边沿( 右) 1 9 上海大学硕士学位论文 图2 6 的上方波形为输入到a d c 的信号波形，下方波形为处理后的输出波 形。如果使用传统的方法，上方波形是不能被准确处理的，因为叠加了较大的 低频摆动噪声，偏离信号地的波形在经过整形触发后会产生失真而丢失频率信 息，而采用数字跟踪的处理方法则可准确对信号的频率进行捕捉，克服了低流 速下低频摆动噪声带来的信号处理难题。 数字跟踪处理方法可以较好地处理调制有低频摆动噪声的信号，而内部动 态阈值的设定对高频噪声有一定的免疫能力，可以作为低流速下信号幅值未饱 和时的频率捕捉算法。数字跟踪处理方法的使用，突破了原有的模拟电路处理 方式的局限，同时又避免了采用运算量大的d s p 处理方法，提高了实时性，降 低了系统功耗。 2 2 2 动态滤波技术的研究 在第二章的2 1 节中，总结了涡街信号的幅频特性，其特点为幅值与频率 的平方成正比，但是如此大的幅值跨度范围给后级系统采用a d c 进行信号数字 跟踪的想法带来了困难，因此我们首先考虑对信号的幅频特性进行处理，使信 号幅值维持在一定范围内，以便于对信号进行a d c 采样和数字跟踪。 针对涡街信号幅值随频率的平方增长的关系，考虑设计拥有j 矿2 衰减 ( 4 0 d b d e c ) 特性的滤波单元来对原始信号的幅频特性进行处理。设计该滤波 器的幅频特性为： 4 ( 厂) = 旁2 q 。4 式中： 鸽诩带放大倍数：信号频率； 石滤波器截至频率。 上海大学硕士学位论文 图2 - 7 二阶低通滤波器幅频特性图( 归一化) 该滤波器表现为一个二阶低通滤波器，当厂 石时，滤波器的传递函数近 似为j 矿2 衰减曲线。因此，理论上当涡街信号频率处在远大于转折频率的频带 上时，通过此滤波器后的涡街信号为一常数，该滤波器抵消了信号幅值增长的 平方关系。同时，二阶低通滤波器又可以有效地抑制高频干扰信号。由图2 8 可见，上方波形为输入到滤波器的信号，信号干扰严重；下方波形为经过滤波 器输出的信号曲线，高频干扰被滤除且信号幅值维持在一个范围内，便于了后 级数字化处理。 图2 8 滤波器输入信号与输出信号 理论上，当没有低频干扰时，只要一条j 矿2 的衰减曲线即可实现整个动态 范围内的涡街幅值自动调整。但是实验显示，由于该滤波器没有对低频噪声进 行滤波的能力，而且低频摆动噪声强度随着流速的增加而加强，摆动信号可能 使被叠加的正常信号超出处理电路的幅值处理范围，出现饱和失真，此情况见 2 l 上海大学硕士学位论文 图2 9 所示。因此，需要同时考虑通带部分的放大倍数，以防止含低频摆动的 信号过早饱和，该滤波单元必须能够随着低频摆动噪声的加强( 低频摆动噪声 强度随着频率的增加而加强) 而降低通带部分的放大倍数，即随着频率的增大， 通带放大倍数能适当减小。 町咀盯厂一 根据以上分析讨论，考虑设计一个由电阻尺j 、母和电容c 值确定幅频特 性转折点的二阶低通滤波器，要求有调整通带放大倍数的能力。对应的二阶低 通滤波器的幅频特性彳仞为： 一阱阿南 防5 ， 式中： 转折频率五2 芴最万 该设计的动态幅频特性曲线见图2 一l o 图2 1 0 动态调整滤波器的传递函数幅频曲线 上海大学硕士学位论文 由上式2 5 与图2 1 0 ，可见通过动态地调整母既可以调整滤波器幅频特性 转折点z ( z 是低频线与4 0 d b d e c 的高频衰减线的交点3 d b 点) ，又可以调整 低频通带的增益倍数。这样的动态滤波器特点可以满足我们先前对信号分析时 提出的要求。 图2 一1 1 说明了动态滤波器的工作原理图： 滤波放大单元 流体流速v 在v s v v d 范围内： l 对x l 进行滤波放大后输出x 2 2 由y 动态调整幅频特性转折点z 图2 1 1 动态滤波器工作原理 动态滤波器由两部分组成：滤波放大单元和测量控制单元( 2 2 1 节所述的 数字跟踪法包含在测量控制单元中) 。 当流体流速v 在v s v u d ，则测量控制单元 的输出y 将滤波放大单元的幅频特性转折点z 沿高频衰减线方向向下 调整，是滤波放大单元的输出信号x 2 的脉动幅值u 2 满足u s u 2 q j d ； 2 在信号x 1 的脉动频率f = f d 并使x 1 的脉动幅值u l 增大到u l - m l f d 2 时， 测量控制单元的输出y 可动态调整滤波放大单元的幅频特性转折点z ， 使滤波放大单元输出信号x 2 的脉动幅值u 2 满足u 。 u 2 u d ； 3 测量控制单元测量信号x 2 的脉动幅值u 2 ，若u 2 u 。，则测量控制单元 上海大学硕士学位论文 的输出y 将滤波放大单元的幅频特性转折点z 沿高频衰减线方向向上 调整，使滤波放大单元输出信号x 2 的脉动幅值满足u 。 u 2 u d ； 4 在信号x 1 的脉动频率f = f 。并使信号x 1 的脉动幅值u l 减小到u l = m i f s 2 时，测量控制单元的输出y 可动态调整滤波放大单元的幅频特性转折 点z ，使滤波放大单元输出信号x 2 的脉动幅值u 2 满足u s 无= 1 2 万廓g 时，输出电压孤c 为： u s c一2 冗绚r f 当信号频率厂 五= 1 2 万砟c ，可简化输出电压矾c 为： ( 3 1 ) 芒 协2 ， 由式3 1 和3 2 可见，当。和砰都确定后，电荷放大器的幅频特性近似于 一个高通滤波器，其中通带放大倍数如式3 2 所示，反比与o ，o 越小电荷 电压的放大倍数越大；此外，该电路的截止频率( 3 d b 点) 如式3 1 所示为 无= 1 2 万肆g ，若低于此频率，信号将大幅衰减。 综上所述，o 和鼢的选择要兼顾信号放大倍数和当前信号频带的要求， 该截止频率五应该低于信号的最低频率厶加，否则低流速( 低频) 信号原先的幅 频率特性( 幅值与频率的平方成正比) 将被破坏，不便于动态调整工作点的设 定。 在电压预放大部分，考虑到电压放大部分放大倍数较大和运放的增益带宽 积，设计中采取了两级放大。第一级放大由r 5 、r 4 和v r l 组成的反向放大器， 上海大学硕士学位论文 可调放大倍数，v r l 可变电阻器为可调器件，放大倍数为一r 5 ( r 4 + v r l ) 。第二 级放大由r 6 、r 7 组成的同向放大器，固定放大倍数为( 1 + r 7 r 6 ) 。通过调整 v r l 来调整前置输出信号的幅值，该幅值的设定关系到动态滤波放大单元中工 作点的设定。 3 3 动态滤波系统的设计 动态滤波系统由动态滤波放大单元和测量控制单元组成。其主要负责对经 过初级放大后的信号做信号调理，使信号幅值稳定，通过动态调整滤波避免低 频摆动噪声使信号出现饱和失真，再由1 8 l f ( 1 ) 单片机为核心的测量控制单 元进行信号频率捕捉和滤波器反馈控制等工作，相关工作状态通过内部u a r t 与 信号综合处理器通讯。 在测量控制单元的硬件设计中，我们主要使用了1 8 l f 单片机的一个内部 1 0 位a d c 作为数据采集( 参考电压由单片机内部提供) ，为相关处理算法采集 当前信号的幅值数据，为滤波器调整提供决策数据，同时通过内部算法得到信 号的边沿数据，以此为依据通过一个i o 口输出脉冲频率信号给信号综合处理 器；使用了一个s p i 串行口( s c k 、s d a 、s d o ) 对滤波器部件进行通讯调节( 图 3 1 中的控制信号y ) ；使用了一个u a r t 口( t x 、r x ) 与信号综合主处理器进行 通讯；其他还包括一些必要的i o 口和定时器使用。 3 4 信号阈值整形器的设计 信号阈值整形器由三个部分组成，分别是带通滤波器、整形器和施密特触 发器。这个部分主要负责中高流速的信号通过滤波、整形，进过施密特触发器 后接单片机1 8 l f ( 2 ) 外部中断口，由单片机来进行频率计数。具体硬件设计 实现见图3 3 3 i 上海大学硕士学位论文 带通滤波器限幅电路触发器 图3 - 3 信号阈值整形器电路原理图 在带通滤波器部分，本设计采用了由一个高通滤波器和一个低通滤波器级 联的带通结构。高通滤波器和低通滤波器都采用了s a l l 饥k 猡的拓扑结构，衰 减斜率为4 0 d b d e c ，可以有效进行频带外的滤波处理。为了设计方便，本设计 采取了等值元件设计法【3 0 1 。具体原理图如图3 4 、图3 5 ： 一 图3 _ 4s a l l 饥k 奄y2 阶低通滤波器原理图 其中：通带增益k = 1 + 惫；截止频率厶2 芴矗；因数q = 三l _ 3 2 上海大学硕士学位论文 图3 - 5s a l l 锄k b y2 阶高通滤波器 其中：通带增益k - l + 惫；截止频率无2 去；因数q = 击 在设计中为了得到广泛使用的巴特沃斯响应( 通带最大平坦特性) ，取 q - o 7 0 7 ，则k - 1 5 8 ，即通带增益为1 5 8 倍，在设计中取r b = o 5 8 r a 。带通滤 波器的低频截止频率由正确定，高频截止频率由后确定。设计时五应该低于中 高流速段频率的下限石；扫可以低于信号频带的上限，即高频滤波截止频率 前移，允许滤波器对信号频带内高频信号部分进行衰减，这样可以更好得衰减 高频噪声，但又不会滤去信号，因为高流速时进入滤波器的信号幅值很大( 一 般幅值都已饱和) 。本设计中取仔0 缸。 整形器部分是由一个限幅电路构成的，之所以在施密特触发器之前使用整 形器是希望通过整形器将经过滤波器后的信号整理成一个恒定幅值的近似方波 信号，这样可以便于施密特触发器的设计，减少个别由于未达到触发阈值而丢 失的波形。具体电路实现见图3 6 ： 图3 6 限幅电路原理图 3 3 上 上海大学硕士学位论文 该限幅电路是由一反向放大器，和在反馈回路上并联的正反二极管电路组 成。由r 3 、r 1 提供高倍放大，当被放大后的信号超过二极管正向导通电压时， 二极管导通，使输出幅值稳定在二极管正向导通压降值上。在设计中我们使用 的是o n s e i i l i 公司的b a s 2 1 串联式二极管芯片，其正向导通压降为5 0 0 i n v 左右， 但是二极管对温度较为敏感，导通压降随温度变化( 工作温度越高，正向导通 压降越低) ，因此在后级触发器阈值设计中应保证足够的余量。 施密特触发器对经过滤波和整形的信号进行触发整形，得到包含信号频率 信息的方波信号，接入信号综合处理器的中断口后，由其进行频率计数。在设 计中，考虑到前级限幅电路中的二极管的正向导通压降为5 0 0 m v ，且对温度敏 感，因此需要在触发器阈值设定中留有一定余量，这里我们设定的触发阈值为 2 5 0 m v 。施密特触发器的原理图见图3 7 ： 图3 - 7 施密特触发器电路原理图 施密特触发器的高低触发阈值电压由以下2 式决定： = 志+ 志 ( 3 3 ) 圪= 志+ 燕 ( 3 - 4 ) 其中为高触发阈值，圪为低触发阈值，y 妇为高电平电压，为低电平电 压，腰为参考电压。在本设计中，电源供电范围是3 3 v ，因此：3 3 v ， 萨o v ；信号参考点为3 3 v - 0 v 的中心点1 6 5 v ，所以协1 6 5 v ；为了满足 先前设定的2 5 0 m v 阈值，使i 匕= 5 6 r 1 ，因此本设计中取r l = 1 0 k ，i 也= 5 6 k 。 上海大学硕士学位论文 3 5 信号综合处理器的设计 3 5 1p i c l 8 l f 系列单片机的介绍 信号综合处理器负责整个信号处理模块的控制作用，主要功能包括：自由 区信号处理、工作区域切换决策、人机交互界面、脉冲信号输出等。考虑到系 统对低功耗、强大的控制功能及