涡街流量计信号处理方法研究与系统设计

　　0　引　　言

　　涡街流量计是目前使用较广的流量计,但采用的却是传统的放大、滤波、整形和计数信号处理方法,较难准确提取含有噪声的流量信号,仪表规定的精度无法保证,因此,人们提出了用数字信号处理方法来处理涡街流量计。

　　近年来,国外提出了基于DSP(数字信号处理器)的流量计二次仪表,重庆大学采用最小均方自适应谱分析方法建立流量信号的5阶自回归(AR)模型,计算其功率谱[1],从而确定主信号频率。合肥工业大学从20世纪90年代起,分别采用基于FFT (快速傅里叶变换)的周期图法及基于Burg(伯格)算法的最大熵谱法,处理涡街流量传感器的输出信号[2,3],计算其信号频率,但是没有深入考虑实用中拟解决的关键问题。本课题组采用周期图功率谱分析方法处理涡街传感器信号[4],计算出信号的真实频率,从而得到准确的体积流量。

　　理想情况下,涡街流量计的输出信号为正弦信号,实际中会混入噪声,为了准确测得流量,就要从含有噪声的现场信号中准确捕捉代表流量信息的信号频率。小波变换是一种新的信号处理方法,它是在傅里叶变换的基础上发展起来的,既保留傅里叶变换的优点又弥补其不足,对高频信号具有高的时间分辨率,对低频信号具有高的频率分辨率,符合人们对数字信号处理的要求。

　　小波变换实质上是一组带通滤波器,因而可以用于涡街流量计,文章利用离散小波变换和连续小波功率谱方法进行探索和研究。

　　1　基于离散小波变换的信号处理方法

　　1.1　小波变换

　　基本小波函数[5～7]为

　　(1)

　　其中,s和x是可以变化的参数,变化s和x可以衍生出不同的小波函数,变化s可使函数的波形沿时间轴方向伸展或压缩,变化x可使函数的波形沿时间轴移位。如果W(t)对应的频谱为ψ(ω),则W(t/s)对应的频谱将为ψ(sω)。

　　因为

　　 (2)

　　所以,变化s也同时改变了分析信号的频段。对于这种形式的函数W(t),如果其时窗宽度为Δt,经过变换后其频窗宽度为Δω,那么对于函数W(t/s),如果其时窗宽度为sΔt,经过变换后其谱的频窗宽度将为Δω/s。因此,小波变换对低频信号(此时s相对较大)在频域里有较好的分辨率,而对于高频信号(此时s相对较小)在时域里也有较好的分辨率。

　　在信号分析中,有时需要把频率轴划分为邻接的频带(或倍频带),为了计算方便,只考虑“二进划分”,对于常用的数字信号分析,主要用小波离散变换。二进离散的好处是易于提出快速算法及生成函数族,适合于数字信号和计算机运算。