涡街流量计数字信号处理方法分析与比较

　　0　引　言

　　近年来,涡街流量计由于具有测量精度较高、无活动件、可靠性好、输出量程宽等优点,在各行各业获得愈来愈广泛的应用。

　　通常涡街流量计由传感器和二次仪表组成,传感器输出信号的频率与流体的流速成正比,二次仪表通过检测频率,就可测得体积流量。理想情况下,涡街流量计输出为正弦信号。但由于涡街流量计本质上属于流体振动型仪表,因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感,它不仅可以感受传感器受到的涡街升力,还可以感受到传感器受到的其他力,如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化,产生的随机脉动压力等,此外还受到周围电气噪声的影响,现场的干扰对流量测量产生很大的影响[1]。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。尤其对于小流量,因其输出信号微弱,只能通过限制测量范围,牺牲量程比来解决此问题。

　　为此,有关专家提出发挥单片机和专用数字信号处理器(DSP)的优势,采用数字信号处理方法来计算频率值,目的是提高测量精度和抗干扰能力,扩大量程比,实现多参数测量和小流量测量。随着微处理器的发展,这一技术已经得到了普遍应用。在运用中首先要解决两个基本问题:一是具体选择哪种数字信号处理算法,以满足准确性和实时性的要求;二是怎样克服流量发生、标定中的困难,充分考虑实际噪声问题,减少研制中的盲目性,缩短研制周期。

　　目前,国内外不少学者在涡街流量计数字信号处理方面取得了一定的成果。归纳起来包括:数字滤波器设计,谱分析方法,自适应陷波滤波方法和小波变换。

　　1　数字滤波器设计

　　传统的模拟滤波器需要使用电阻、电容及电感等元件,尺寸和功耗较大,而且精度难以提高,调整起来也不方便。而数字滤波器实质上是一种程序滤波,它通过一定的计算程序来减少干扰对信号的影响。这种方法可以提高滤波精度,并具有参数调整方便,稳定性、重复性好,实现方便等优点。

　　数字滤波器的设计方法很多,最通用的方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法,如But2terworth滤波器、Chebyshev滤波器、椭圆滤波器等。文献2采用Butterworth滤波、低通滤波、中位数滤波相结合的滤波方法对原始的涡街信号进行处理,其设计思路如下。

　　1.1　高低通滤波

　　高通滤波采用Butterworth滤波器处理,先将高通滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标,并以此设计出相应的低通滤波器,然后再依据频率转换关系变成所要设计的高通滤波器。其中低通滤波器幅平方特性为