基于自适应陷波的涡街流量计信号处理系统

　　1　引言

　　被人们称为“数字孔板”的涡街流量计,具有测量精度较高、无活动件、可靠性好、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点,在各行各业获得愈来愈广泛的应用。但是,由于涡街流量计工作原理的原因,它对外界振动非常敏感。工业现场的振动是普遍存在的,主要是流场干扰和管道振动干扰。这就使现场测量误差远远大于实验室标定误差。为此,我们研制了以数字信号处理器(DSP)为核心的实时处理系统,并采用自适应陷波方法处理涡街流量传感器的信号,排除了各种噪声干扰,提取准确的代表流速信息的频率,其计算精度优于±0·2%。

　　2　自适应陷波方法

　　在理想情况下,流量计中传感器的输出信号是正弦波,其频率与流速成比例关系。我们针对这一窄带信号,设计基于预测误差的自适应陷波滤波器,对不同频率的信号,建立不同参数的模型。这种陷波滤波器能抑制一个特定的频率,并且几乎不受位于带宽以外频率的影响。如果模型与实际情形完全吻合,有用信号分量被最大幅度地抑制,则陷波频率即为涡街频率。短时间的波动是窄带模型的一部分,对频率估计值精度影响不大。由于陷波滤波器具有平直的传递函数,附加干扰对滤波器几乎没有什么影响。理想陷波器的基本要求有两点[1,2]。一是其传递函数的零点应该在单位圆上,以使陷波的陷阱深度为无穷大。满足这一要求的多项式的系数应具有镜象对称形式:

式中,ρ是一个接近于1、但略小于1的常数。引入ρ保证了在H(z-1)的每一个零点附近有一个极点与之对应,即极点在作为零点的相同半径线上,但稍靠近原点,ρ值的大小也决定着陷波频率的宽度。可以证明式(3)中的常数α与陷波频率f0的关系为

式中T为采样时间间隔。可见,陷波滤波器只有一个参数需要估计,我们感兴趣的频率能直接由式(4)得到。

　　3　仿真结果

　　设输入信号为y=10 sin(2π×50t+π/6)+5 sin(2π×40t)+5 rand[size(t)],输入信号中含有较靠近的谐波,噪声的幅值也不小。以采样频率为200 Hz、200个采样点计算得到的频率估计值为50·032 6 Hz,误差小于0·652‰。图1是自适应陷波器的幅频特性,可见,本文算法有相当高的精确度(图上显示的周期性是因为频率响应随采样频率而进行周期性的变化的结果)。图2是算法求出的频率估计值随点数变化的情况,说明算法收敛很快(图上只显示了100点,是为了更好的说明算法的收敛性)。

　　4　实时处理系统研制

　　4·1　处理系统的硬件