用简单整系数滤波器处理涡街信号的方法

　　1　引　言

　　涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表,应用日渐广泛。测量原理如图1所示,管道中垂直插入一非流线型对称形状的漩涡发生体,当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的漩涡,频率为f。经过推导,流体的体积流量Q与漩涡频率f有如下关系:

　　Q =f/K                                                                                            (1)

　　式中:K———流量计的流量系数。

　　在一定雷诺数范围内K为常数,流量Q与漩涡频率f成线性关系。因此,只要测出f,就能求得体积流量Q。

　　现在广泛应用的涡街流量计大都采用压电传感器将漩涡产生的交替变化压力转换为电荷信号,电荷的变化频率与漩涡的脱离频率一致,通过硬件电路对电荷信号进行放大、滤波、整型、计数,得到漩涡的频率。在工业现场应用时,涡街流量计安装在管道中,受管道及附近设备的振动和流体的速度脉动的影响,压电传感器输出的信号不是理想的正弦信号,叠加了各种干扰信号,而且有时这种干扰信号会比真实信号大得多,这就对涡街信号的后续处理提出了很高的要求。现在的处理方法是通过模拟滤波电路削弱或消除无用的频率成分,保留反映流速的有效频率成分,来提高信噪比。这种方法成本低、响应速度快、实时性好,但是电路的通用性差,不能及时跟踪涡街信号频率的变化。这是因为滤波器通带及电路参数与一定的流速范围相对应,而流体流速随不同流体(气、液)、不同管道口径等会有很大差别,因此应用于不同场合的涡街流量计后续处理电路板是不能随意互换的;并且即使在相同介质、相同管径时,流速变动范围也很大,例如蒸汽管道输送量随不同时间、不同季节差异非常大,而后续电路的参数是固定的,滤波器的通带也是固定的,难以跟踪流速的大范围变化,所以会引起测量精度下降,甚至不能正确测量。对此,一些研究人员提出了用软件处理信号的方法,如Amadi-Echendu、谢宇怀和徐科军等提出了应用各种频谱分析方法对信号进行处理[1~4]。这些方法对干扰信号有较强的抑制作用,能及时跟踪流速变化,提高了测量精度,但是计算量大,难以满足实时处理的要求。

　　数字滤波由于参数调整方便,稳定性、重复性好,实现方便,所以在智能仪器系统中得到了广泛应用。谢宇怀在涡街信号处理中开展了数字滤波方法的研究[1],采用Butterworth滤波、低通滤波、中位数滤波相结合的滤波方法对信号进行处理,实验证明这种方法能有效提高信噪比。但是在实际应用时,信号需要经过三级滤波,存在计算量大、实时性较差的问题,并且滤波器的系数都是非整数,容易用高级语言实现,当用汇编语言等编写程序时,更希望滤波器的系数为整数。为此,提出采用简单整系数数字滤波器对涡街信号进行处理,并取得了较好效果。