摘要:對基于譜分析的數(shù)字式渦街流量計在應(yīng)用中響應(yīng)速度比較慢及其在小流量或小口徑時流量計輸出波動兩個問題進行了深入分析。采用設(shè)置門限值的方法提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。對頻譜分析結(jié)果進行多次為0判斷,解決了系統(tǒng)輸出斷續(xù)問題。通過對頻譜分析結(jié)果的限幅,在平均時去掉超過標(biāo)準(zhǔn)差的頻率值,并去掉最大值和最小值,對平均結(jié)果進行第二次平均的方法減小了系統(tǒng)輸出的波動,提高了流量計輸出穩(wěn)定性。
0引言
渦街流量計具有無可動部件維護方便、壓力損失小和輸出頻率量等優(yōu)點,可以測量液體、氣體和蒸汽流量,應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，渦街流量計主要有兩種處理方式,即脈沖整形計數(shù)方式和數(shù)字信號處理方式。其中,數(shù)字信號處理方式具有抗干擾能力強、量程比較寬和精度高的優(yōu)點�；谧V分析的渦街流量計數(shù)字信號處理方法,采用DSP(數(shù)字信號處理器)芯片研制了實時處理系統(tǒng),通過標(biāo)定并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,取得了很好的效果。在應(yīng)用中，針對數(shù)字式渦街流量計響應(yīng)速度慢以及在小流量或者小口徑時輸出信號波動問題，進行了深人的分析,并提出了有效的解決方案。
1提高信號響應(yīng)的速度
采用頻譜估計方法分析渦街信號的頻率是基于渦街流量計信號是一個平穩(wěn)隨機過程信號,并且流量在短時間內(nèi)是穩(wěn)定的或變化很小。由于渦街流量計輸出信號實時性的要求,只能對有限長時間段內(nèi)的信號進.行處理,即只能截取一段數(shù)據(jù)進行頻譜分析。為了防止數(shù)據(jù)統(tǒng)計變異性對計算渦街頻率的影響,必須對若干次頻譜分析的結(jié)果進行平均,這就需要花費時間。當(dāng)平均次數(shù)多時，數(shù)字渦街流量計的響應(yīng)速度就會顯得比較慢。例如,我們的系統(tǒng)采用時鐘頻率為40MHz的TMS320LF2407ADSP芯片，使用匯編語言編制FFT程序計算渦街信號的頻譜,對50次計算結(jié)果進行平均。每次FFT計算時間大概是300ms(包括信號處理,人機接口等對應(yīng)的其他軟件執(zhí)行時間),總用時大概為15s,這個時間比較長。若在這段時間里,流量發(fā)生突然變化，系統(tǒng)就需要計算50次FFT,才能反映流量的變化,這將造成測量誤差,如圖1所示。
在實際處理中,將每次頻譜分析后得到的渦街頻率放人一個循環(huán)隊列中,該隊列稱為隊列Q1,如圖2所示(數(shù)字表示隊列成員序號)。其中,最右邊的為隊首Q1,最左邊的為隊尾Q1。再按先進先出的原則對隊列中最新的若干個值進行平均,得到渦街輸出頻率。由于對隊列中的值不加判斷而直接參與平.均,導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。
為此,通過設(shè)置門限值的方法來解決這個問題。根據(jù)隊列Q1中保存的過去的流量信息來設(shè)置一個頻率突變門限frelimit,如果連續(xù)計算出N個頻率值Q1[N]~Q1[1]都超過了fre._limit,則對這N個頻率值和后面進人隊列的值進行平均,而前面的值Q1[N+1]~Q1[50]不參加平均,N一般為3~5。理論上，門限fre_limit的選擇越小對微小突變就越敏感。但是,由于FFT計算出來的頻率會在--定范圍內(nèi)波動,所以,門限值不能選擇太小。另外，由于小的突變造成的誤差不會太大,所以也沒必要將門限設(shè)置得很小。
一般來說，渦街流量計在小流量時(低頻處)頻率計算結(jié)果波動比較大,而大流量時(高頻處)比較穩(wěn)定。所以,門限值可以根據(jù)渦街流量計所能測的最低頻率來設(shè)置。由于流量計的最高可測頻率是已知的,而采樣頻率一般設(shè)為略大于最高頻率的2倍,所以,門限值可以根據(jù)式(1)來計算:
式中:ƒs為采樣頻率;Ɩ為儀表量程比;α(0<lαl<1)為系數(shù)。調(diào)整α可以調(diào)整門限值大小,α<0時為下限;α>0時為上限。一般可以取±4%~±13%。
當(dāng)流量突變不超過門限時,在流量計調(diào)節(jié)時間內(nèi)累積流量的最大相對誤差為:
式中:n(n》1)為平均次數(shù);ƒp為突變以前的頻率;ƒr為突變以后的頻率。而當(dāng)流量突變超過fre_limit時,誤差會非常小。
實際流量變化是一個連續(xù)變化的過程。但是,只要流量對應(yīng)的信號頻率的變化率超過fre_limit/tc,其中tc為FFT計算的間隔時間，則系統(tǒng)就能快速響應(yīng);而流量對應(yīng)的信號頻率的變化率小于fre_limit/tc.時,其最大相對誤差小于式(2)的計算值。
圖3為經(jīng)過加速處理后40口徑渦街流量計在流量突變時的響應(yīng)曲線�？梢�,在流量突變后,系統(tǒng)經(jīng)過3次FFT計算就能跟上流量的變化,有效地提高了流量計的響應(yīng)速度。
2.1消除輸出信號的斷續(xù)現(xiàn)象
頻譜分析法是按能量最大原則,即把FFT計算出來的功率譜中能量最大的頻率值作為渦街頻率。但是,由于干擾的存在,不得不設(shè)置一個最小截止幅值(min_amp)來限制小幅值干擾信號,即當(dāng)FFT計算幅值低于最小截止幅值時,流量計輸出為0,從而提高抗干擾能力;而由于信號質(zhì)量、對采樣信號加窗FFT非整周期采樣等原因,導(dǎo)致FFT計算幅值會有波動。當(dāng)流量在流量計下限附近時,會出現(xiàn)FFT計算幅值低于最小截止幅值的情況,這將導(dǎo)致流量計輸出出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。
流量計斷續(xù)問題主要是由于偶爾幾次的FFT計算幅值低于最小截止幅值所致。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在流量計可測流量范圍內(nèi)-般不會出現(xiàn)連續(xù)幾次FFT計算幅值均小于最小截止幅值的情況，所以在碰到FFT計算幅值低于最小截止幅值時不是直接輸出0,而是將0放入隊列Q1。在計算平均頻率以前先對隊列Q1中最近的N(N可取3~4)個值進行判斷,如果N個值，全部為0,則流量計輸出為0,否則繼續(xù)做平均計算,將平均值作為流量計的輸出頻率,這樣就可以解決輸出斷續(xù)的問題。
2.2解決輸出信號的波動問題
在小流量的時候渦街流量計信號微弱,信噪比降低,信號質(zhì)量比較差,頻譜分析得到的渦街頻率波動比較大。特別是小口徑渦街流量計，由于傳感器安裝等原因,這種現(xiàn)象更為明顯。圖4中,曲線1為15口徑渦街流量計在下限頻率附近,每次FFT計算得到的渦街頻率;曲線2為40口徑離下限頻率比較遠(yuǎn)時每次FFT計算后得到的渦街頻率。可見，曲線1波動較大，數(shù)值約為30Hz。此時,即便采取平均措施,也無法使輸出頻率值穩(wěn)定。
波動問題主要是由于信號較差,每次FFT計算出的頻率值偏差太大所造成的。所以,首先必須保證隊列Q1中的所有頻率值在可信范圍內(nèi),即在流量沒有突變的情況下,隊列Q1中的頻率值不能與前次輸出頻率差得太多。為此，可以設(shè)置一個頻率允許跳動范圍的限幅值。當(dāng)計算的頻率值超出范圍時,不是簡單地將這個值去掉,而是用最近一次的輸出頻率加上限幅值來代替這個值。這在某種程度上能保留反映流量變化趨勢的部分信息。通過實驗發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)fre__limit來設(shè)置這個限幅值。
處理波動問題的具體步驟為:
①對隊列Q,的第N個元素Q1[N]用式(3)處理,得到數(shù)值ƒin為:
式中:ƒin為處理后隊列Q1[N]中的頻率值;f。為處理前隊列Q1N]中的頻率值,即原先FFT計算出來的頻率值;f,為流量計最近--次輸出的頻率值;c為常數(shù),可以根據(jù)實際情況選取,實驗中取1。需要注意的是,這里是對Q1[N]處理,而不是對隊首元素Q1[1]處理。原因是,Q1[1]~Q1[N-1]中的信息會反映流量的突變,如果對其進行限幅處理,會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
②對隊列Q1中的值進行去N-1次最大、最小值處理,算出均值μ,根據(jù)均值算出標(biāo)準(zhǔn)差σ,然后,再利用標(biāo)準(zhǔn)差對隊列Q1中的值進行平均。而超出標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)不參加平均。
③經(jīng)過以上處理后得到的頻率已經(jīng)比較穩(wěn)定,但仍有一定范圍的波動。如果流量是穩(wěn)定的話,流量計輸出應(yīng)該接近穩(wěn)定,波動比較小。因此,可以考慮對計算頻率值進行第二次平均,相當(dāng)于進行二次濾波。為此,建立另一個隊列Q2。隊列Q2中的元素是隊列Q;經(jīng)過上述步驟處理后的結(jié)果;再對隊列Q2進行平均計算,得到的均值作為流量計的輸出。注意,這里對隊列Q2也要進行加速處理,方法與處理Q1的類似。圖5所示為經(jīng)過處理以后渦街流量計的輸出，從圖中可以看出流量計輸出已經(jīng)比較平穩(wěn)。
3結(jié)束語
根據(jù)頻譜分析后的結(jié)果,采用設(shè)置門限值的方法對流量計輸出進行加速處理,并分析了加速處理方法的誤差,有效地提高了流量計的響應(yīng)速度降低了調(diào)節(jié)時間內(nèi)由于響應(yīng)慢造成的誤差。
對頻譜分析后的結(jié)果進行0值判斷,連續(xù)幾次為0,流量計輸出才為0,消除了流量計在可測流量下限.時輸出斷續(xù)現(xiàn)象。
在對頻譜分析后的結(jié)果平均前采取了限幅、去掉超過標(biāo)準(zhǔn)差以外的值和去掉最大值最小值的操作,并對平均后的結(jié)果進行第二次平均,減小了流量計輸出信號的波動,提高了流量計輸出的穩(wěn)定性。
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