涡街流量信号背景噪声的混沌特性研究

　　1　引　言

　　涡街流量计在轻工、食品、化工、石油、电力、冶金、公用事业已获得越来越广泛的应用,它已成为流量仪表中重要的分支。

　　1·1　涡街流量测量的原理

　　涡街流量测量的基本原理是在与被测介质流向垂直的方向放置一非流线型涡流发生器,当流体流过该涡流发生器时,在发生器后方两侧交替地分离释放出两列规则的交错排列的漩涡,称为卡尔曼涡街,如图1所示。在涡流发生器内部安装应力式压电传感器,就可以产生电荷信号。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。在一定的雷诺数范围内漩涡的分离频率正比于管道内的平均流速

　　从而由流速得到流体的流量。式(1)中,Sr—斯特劳哈尔数;f—涡街频率,Hz;v—流体流速,m/s;d—涡流发生器宽度,m。

　　当雷诺数Re≥2×104时,Sr为一常数。因此涡街频率f与流体流速成正比,与流体的物理特性无关。

　　1·2　涡街流量信号分析

　　从涡街产生的角度进行的研究表明,由于流体的非稳定过程,或者说流体的扰动、流体与物体的相互作用,涡街流量信号的产生过程是一个非线性过程,它的噪声主要是管道振动噪声和流场脉动噪声[1~3]。涡街测量量程比大,理论上可达到100∶1,但是由于低流速下管道振动噪声以及流体脉动噪声与涡街信号为同一数量级,信噪比很低,因此限制了涡街流量计对低流速的准确测量,一般实际应用中量程比为10∶1。

　　由以上分析可知,涡街信号的噪声行为主要是管道振动以及流体脉动噪声,而振动和流场行为已经被证明包含着混沌行为[4,5],这意味着涡街背景噪声信号中也很可能存在着混沌。在图2所示的实验装置条件下,图3为测得的涡街流量信号在流速分别为0·6、0·7、0·8 m/s时的典型样本曲线,其中横坐标为采样点数,纵坐标为采样信号的幅值(mV),之所以选这3种流速,是因为它们代表了涡街真实信号和噪声信号叠加状态的临界变化过程。

　　1·3　非线性混沌理论应用于涡街信号的可行性分析

　　如前所述,涡街流量计的应用难点在于量程下限的扩展,目前的国内外研究主要都是基于传统信号处理的方法来进行的,但是研究表明,要有效扩展涡街测量下限,传统的信号处理方法目前还没有很好的效果。为此应用非线性理论对涡街信号研究进行了一些探索,混沌系统对小信号的敏感性以及对噪声的免疫力,使它在信号检测中非常具有潜力[6],这一性质在系统信噪比很低的情况下优点显得更为突出。而从涡街信号的分析来看,它又很可能具有混沌性质,那么如果能够证明涡街流量信号中存在混沌特性,就可以利用混沌系统的特性准确地检测出涡街真实信号频率。