基于经典谱估计改进方法的涡街流量计

　　1 引 言

　　基于流体振动而引起旋涡分离原理的涡街流量计自20 世纪 60 年代末出现以来发展十分迅速，其具有灵敏度高、稳定性好、寿命长、介质适应性宽、价格低廉等众多　　优点。但涡街流量计对外界振动、流体的流动状态特别敏感，其传感器不仅可以检测涡街信号，还会检测到管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化等所产生的随机信号。所以，当前国内外的涡街流量计都无法准确测量低流速的流量，量程比普遍都不高，并且现场环境的干扰对测量结果产生很大的影响。针对这一问题，国内外许多学者尝试从数字信号处理角度来解决: 如基于 FFT 的经典谱分析方法、基于 Burg 算法的现代谱估计方法、自适应陷波方法、小波分析方法、功率谱分析方法和互相关方法、自适应滤波方法等[1-6]。

　　本文在分析涡街信号及其噪声特点的基础上，提出一种基于经典谱估计改进方法的涡街流量计，该方法采用信号抽取改变采样频率和 Welch 功率谱估计相结合的方法处理涡街信号。

　　2 涡街传感器信号特点

　　2. 1 涡街传感器信号

　　涡街流量计的涡街信号由压电晶体传感器产生，理想情况下为正弦信号，该信号频率与流体流速成线性比例关系，工程应用中一般测量该信号的频率，然后根据仪表系数换算成实际的流量[7-9]。但由于受到各种噪声的干扰，如高斯白噪声、流体低频摆动噪声、机械振动噪声和压电晶体固有振荡噪声等[10]，使得传感器的输出信号混杂着很强的噪声而难以准确测量。

　　涡街信号幅度动态范围较大，且在小流量时非常微弱，容易被噪声淹没。因此，模拟信号处理电路必须具备可变增益调节和滤波能力，数字信号处理方法必须实现准确的功率-频率计算，以满足量程比的需求和测量精度要求。

　　2. 2 前级信号处理电路

　　前级信号处理电路如图 1 所示，电荷放大器将压电传感器产生的电荷信号转换为与之成比例关系的电压信号，程控增益放大器可对高幅度变化的涡街信号进行可变增益调节　　[11]，模拟低通滤波器可以有效地滤除高频噪声以抑制后续频谱分析时的混叠现象。带 ADC 的微控制器采样模拟电路预处理后的涡街信号，并根据信号峰峰值控制程控增益放大器的放大倍数。

　　3 涡街信号分析处理方法

　　涡街信号的数字分析处理过程如图 2 所示，ADC 以较高的采样频率对信号进行采样，然后直接使用 FFT 算法进行功率谱估计，并计算出涡街信号的区间范围。根据信号的区间范围选择相应的抗混叠滤波器滤波[9]，然后采用信号抽取的方法降低采样频率以便实现更高精度的功率谱分析。最后，对数据进行加哈明窗交叠分段再使用 FFT 算法计算出各段的功率谱并求平均，即 Welch功率谱估计方法，计算出涡街信号更精确的功率谱[12-15].