自适应FFT功率谱分析在涡街流量计中的应用

　　0　前言

　　20世纪60年代末期,出现了应用流体振动原理测量流量的新型仪表,即流体振动流量计。涡街流量计就是其中一种,它通过测量流体流经钝体时产生的卡门涡街频率来确定流量,并凭其使用寿命长、线性范围宽及几乎不受温度、压力、密度变化影响等优点得到广大用户青睐,应用广泛[1]。但其采用的的测量原理决定了涡街信号易受外界噪声的干扰,特别是在低流速等信噪比小的情况下,影响了其使用。因此,如何对输出信号进行处理,从叠加了噪声的信号中提取有用的涡街信号成为了提高涡街流量计性能的重点[2]。

　　1　涡街流量计存在的问题

　　比较难保证低速时的测量精度,测量下限值偏高(一般只能做到4~5m/s),不能充分发挥涡街流量计的优点,是涡街流量计现阶段的主要问题。涡街流量信号由两部分组成:一是由流速产生的正弦涡街信号,二是干扰引起的噪声信号,因此涡街信号远非理想的正弦波信号,而是一个混有强噪声的混合信号。当流量比较大时,信号幅值大,信噪比大,干扰噪声的影响不显著,如图1[3]所示,流量信号还是比较好的正弦波。当流量比较小时,信号幅值小,信噪比小,干扰噪声的影响显著,流量信号的波形发生畸变,如图2所示[3]。因此,低流速测量成为了限制涡街流量计应用的瓶颈。

　　2　涡街流量计信号处理方法

　　一般信号处理方法可分为模拟信号处理和数字信号处理两种,涡街信号两者均可采用。

　　2·1　模拟信号处理

　　模拟信号处理一般由硬件电路来实现。现在使用的涡街流量计,大多数产品虽采用了微处理器,但仅用于参数设置和补偿,表征流速的频率仍用硬件电路测试、计算,即涡街流量传感器测得的信号,经过电路的放大、滤波、整形,输出脉冲频率信号送入微处理器进行计数,从而获得被测介质的瞬时和累计流量。整个流程如图3所示。

　　用硬件电路计算频率,实时性好,但是对外界振动干扰敏感,机械振动和流场干扰叠加在流量计的输出信号上,可能导致误触发,造成测量误差,在流量小的低频段,这一问题更为突出。人们一般通过规定下限截止频率,限制量程比来解决此问题,但这样就提高了流量计测量的下限。信号整形过程多采用阈值比较的方法,易引起漏频现象,导致测量误差。

　　2·2　数字信号处理

　　数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰性强、速度快等突出优点,这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。国内外对于涡街流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[4]、谱分析法、小波变换法[5]等。

　　其中应用得较多的是谱分析的方法,谱分析法能够从含有噪声的信号中提取有用信号的主频率。但以往的处理涡街流量计信号的FFT谱分析方法都只是采用单一的采样频率,缺少对高低频率同时适应的能力,降低下限作用不显著。