專利名稱：基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量檢測領(lǐng)域，為一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，特別是一種以單片 機(MCU)為核心、基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
技術(shù)背景渦街流量計可以測量液體、氣體和蒸汽流量，應(yīng)用范圍相當廣泛。但是，在工業(yè)現(xiàn)場， 由于管道與水泵、閥門和電動機等設(shè)備相連，使得流量計工作時常常受到機械振動干擾，影響流量的測量。這些機械振動噪聲的特點是(l)能量比較大，有時甚至大于渦街流量 信號的能量；(2)頻率在渦街流量信號頻率范圍內(nèi)。目前，數(shù)字渦街流量計采用頻譜分析 等數(shù)字信號處理方法來提取渦街流量信息，當流量信號的能量大于噪聲能量時是有效的。 但是，當噪聲能量大于流量信號能量時，通常的數(shù)字信號處理方法會失效。為此，中國發(fā) 明專利公布了一種抗強固定干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)(徐科軍，朱志海，劉三 山，姜鵬.抗強固定干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，申請發(fā)明專利，200910116107. 1, 申請日2009.1.21.)?？紤]到當現(xiàn)場設(shè)備和管道安裝好之后，振動的頻率就固定下來了 這個實際情況，該發(fā)明專利提出以下方案來解決此問題(l)采集渦街傳感器的信號進行 頻譜分析，根據(jù)渦街流量信號是寬帶信號和固定振動信號是窄帶信號的特點，以及現(xiàn)場設(shè) 備的有關(guān)參數(shù)，例如電機的轉(zhuǎn)速等，確定出管道的固定干擾頻率；(2)根據(jù)固定干擾頻率， 設(shè)計陷波濾波器，以陷掉固定干擾信號。但是，在有些情況下，振動干擾頻率是變化的， 這種信號處理方法就不適用了 。國外SCHLATTER, Gerald，L.提出在建立噪聲模板和信號模板的基礎(chǔ)上，用頻域轉(zhuǎn)換 和互相關(guān)功率譜相結(jié)合的方法來消除渦街流量計中的強噪聲("Signal processing method and apparatus for flowmeter", WO 90/04230， 19 April 19卯)。但是，噪聲情況各種各樣，不易獲 得噪聲的所有模板。并且，專利沒有說明如何建立信號和噪聲的模板。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利所依據(jù)的原理是渦街流量信號和機械振動噪聲具有不同的頻率帶寬特 征，即振動噪聲是相對的窄帶信號，而渦街流量信號是相對的寬帶信號；而自相關(guān)函數(shù)可 以反映出信號的帶寬特征。本發(fā)明專利的技術(shù)方案是首先對渦街流量傳感器的輸出信號進行頻 分析，按照一定的信噪比及幅值門限確定頻率，這些頻率可以是一個也可以是多個；然后，將這些頻率 作為帶通濾波器的中心頻率，分別對渦街流量傳感器輸出信號進行濾波；再計算濾波后信 號在延遲r后的一段時間內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)的峰值與^0時自柏關(guān)函數(shù)值的比值；最后，取 最小比值對應(yīng)的頻率作為渦街流量信號的頻率。 具體技術(shù)方案如下
一種基于單傳感器的抗強干擾渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，由模擬輸入模塊、模擬 輸出模塊、單片機系統(tǒng)、脈沖輸出模塊、與外部單片機通信的通信模塊、人機接口模塊、 電源模塊和外部看門狗組成。首先對渦街流量傳感器的輸出信號進行頻譜分析，按照一定 的信噪比及幅值門限確定頻率，這些頻率可以是一個也可以是多個；然后，將這些頻率作 為帶通濾波器的中心頻率，分別對渦街流量傳感器輸出信號進行濾波；再計算濾波后信號 在延遲T后一段時間內(nèi)自相關(guān)函數(shù)的峰值與"O時的自相關(guān)函數(shù)值的比值；最后，取最小 比值對應(yīng)的頻率作為渦街流量信號的頻率。
渦街流量信號和機械振動噪聲具有不同的頻率帶寬特征，即振動噪聲是相對的窄帶信 號，渦街流量信號是相對的寬帶信號；而通過自相關(guān)函數(shù)計算可以反映出信號的帶寬特征。
模擬輸入模塊包括壓電傳感器、電荷放大器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器； 模擬輸出模塊包括光耦、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和4 20mA輸出電路；單片機模塊包括單片機 MSP430F5418、復(fù)位電路、欠壓監(jiān)測電路、鐵電存儲器；脈沖輸出模塊包括光耦和整形電 路；與外部單片機通信的通信模塊包括通信模塊、光耦、整形電路和外部單片機；人機接 口模塊包括按鍵輸入和液晶顯示電路；電源模塊包括隔離和非隔離直流一直流變換器、低 壓差線性穩(wěn)壓器。
采樣的點數(shù)定為N點，不同口徑的渦街流量計的采樣頻率不同；對N點采樣值做快速 傅立葉變換之后，用最大的幅值乘以設(shè)定的信噪比作為幅值的下限值，取某一幅值為門限 值；將同時大于這兩個值的峰值所對應(yīng)的頻率記下來；此時，如果頻率的個數(shù)大于10，則 取前10個最大的。
針對權(quán)利要求4所確定的頻率BHz，實時設(shè)計帶通濾波器；采用6階帶通巴特沃斯數(shù)字 濾波器；帶寬定為10Hz,則上邊界的截止頻率為(B-5)Hz，下邊界的截止頻率為(B+5)Hz。
取自相關(guān)函數(shù)的絕對值的平均值來計算其峰值，即絕對值的平均值是峰值的0. 637倍； 為了減小計算量，可以只計算半個周期的自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；為了提高計算精度， 也可以計算多個周期自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；根據(jù)實際的采樣頻率和信號的頻率，確
5定自相關(guān)函數(shù)的半個周期的點數(shù)。
根據(jù)不同采樣頻率，選擇不同的延遲時間；確定出要計算的自相關(guān)函數(shù)的點數(shù)；再 計算一段時間內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)；求這些自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；再根據(jù)絕對值的平均 值為峰值的0. 637倍的關(guān)系，得到這些自相關(guān)函數(shù)的峰值。
本發(fā)明專利的優(yōu)點是即使在渦街流量信號能量小于振動噪聲能量的情況下，且振動 噪聲的頻率是變化時，仍然能夠得到準確的渦街流量信號頻率，從而排除強噪聲的干擾， 確保現(xiàn)場測量精度。
圖1是渦街流量信號的自相關(guān)函數(shù)圖。
圖2是振動噪聲的自相關(guān)函數(shù)圖。
圖3是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是算法原理框圖。
圖5是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。
圖6是主監(jiān)控程序流程圖。
圖7是帶通濾波器設(shè)計流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明的設(shè)計思想是在工業(yè)現(xiàn)場，渦街流量傳感器的輸出信號中常常既含有渦街流 量信號又含有機械振動噪聲，當機械振動噪聲信號的能量大于渦街流量信號的能量時，采 用以往的數(shù)字信號處理方法也無法得出正確的測量結(jié)果。在理想情況下，渦街流量信號是 規(guī)則的正弦波信號。但是，在實際中，由于管道內(nèi)流動介質(zhì)的紊流、脈動以及流場的不穩(wěn) 定對旋渦發(fā)生體施加了不規(guī)則的附加作用，使得渦街流量信號的實際頻率在理想頻率的左 右擺動。而機械振動噪聲是由鼓風(fēng)機、水泵、閥門和電動機等機械外力引起的，在實際中 的頻率基本不變。因此，渦街流量信號占據(jù)的頻帶要比機械振動噪聲的寬，即渦街流量信 號相對于機械振動噪聲信號是寬帶信號，其不同時刻取值的相關(guān)性要比機械振動噪聲信號 的差。而自相關(guān)函數(shù)^(r)描述的是一個時刻的數(shù)據(jù)值與另一個時刻數(shù)據(jù)值之間的相關(guān)程
度，所以，渦街流量信號的自相關(guān)函數(shù)的幅值會隨著時間迅速衰減，而機械振動噪聲的
自相關(guān)函數(shù)的幅值衰減緩慢，兩者形式如圖1和圖2所示。可見，自相關(guān)函數(shù)^(r)在r-0 時，也就是自相關(guān)函數(shù)在沒有延遲時，取最大值，之后其幅值隨著時間衰減。渦街流量信號自相關(guān)函數(shù)值的衰減要比機械振動噪聲的快。因此，可以計算延遲r后的一段時間內(nèi)自 相關(guān)函數(shù)的峰值與r-O時自相關(guān)函數(shù)值的比值，最小比值所對應(yīng)的頻率就是渦街流量信號 的頻率。
本發(fā)明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本發(fā)明系統(tǒng)由模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、單 片機系統(tǒng)、脈沖輸出模塊、與外部單片機(MCU)通信的通信模塊、人機接口模塊、電源 模塊和外部看門狗組成。其中，模擬輸入模塊包括壓電傳感器、電荷放大器、限幅放大器、 低通濾波器、電壓跟隨器；模擬輸出模塊包括光耦、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和4 20mA輸出 電路；單片機模塊包括單片機MSP430F5418、復(fù)位電路、欠壓監(jiān)測電路、鐵電存儲器；脈 沖輸出模塊包括光耦和整形電路；與外部MCU通信的通信模塊包括通信模塊、光耦、整形 電路和外部單片機；人機接口模塊包括按鍵輸入和液晶(LCD)顯示電路；電源模塊包括 隔離和非隔離直流一直流變換器(DC-DC)、低壓差線性穩(wěn)壓器(LD0)。
本發(fā)明系統(tǒng)的基本工作過程為傳感器信號首先通過模擬信號輸入及調(diào)理模塊，適當 放大、低通濾波去掉高頻分量后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，完成信號的采樣；數(shù)字信號 處理模塊用算法對采樣的信號進行分析處理，得到流量值；最后，系統(tǒng)將流量測量結(jié)果通 過電流、脈沖向外發(fā)送，或者通過通訊模塊將流量信息傳遞給外部單片機(MCU)。
本發(fā)明系統(tǒng)的具體算法是首先進行頻譜分析，按照一定的信噪比及幅值門限確定頻 率，比如，這些頻率有50Hz， 80Hz等，然后用以50Hz為中心頻率的帶通濾波器對原信號 x(")進行濾波，得到濾波后的信號y(")，再對濾波后的信號^(")計算延遲r后的一段時間 內(nèi)自相關(guān)函數(shù)的峰值與r-O時自相關(guān)函數(shù)值的比值；同理，接著用以80Hz為中心頻率的 帶通濾波器對原信號x(")進行濾波、計算比值;最后，取最小比值所對應(yīng)的頻率(比如80Hz) 作為渦街流量信號的頻率。設(shè)計數(shù)字帶通濾波器時，模擬帶通函數(shù)變成數(shù)字帶通函數(shù)采用 的是雙線性變換法，變換的公式為
式中，T是采樣時間間隔。
自相關(guān)函數(shù)的計算采用的是無偏估計，其計算公式為
A (r) = #(" + ") (2)
W-r h
^中，r為表示延遲時間的點數(shù)，r = rr; N為數(shù)據(jù)的長度。整個算法的原理框圖如圖4所 示。
圖5是軟件總體框圖。系統(tǒng)軟件開發(fā)采取模塊化設(shè)計方案，將子程序組成功能模塊，
7由主監(jiān)控程序和中斷服務(wù)程序統(tǒng)一調(diào)用?；竟δ苣K包括主監(jiān)控模塊、中斷模塊、看 門狗模塊、鐵電存儲器操作模塊、人機接口模塊、初始化模塊、計算模塊、輸出模塊等。
圖6是主監(jiān)控模塊。主監(jiān)控程序是整個信號處理系統(tǒng)的總調(diào)度程序，調(diào)用各個模塊中 的子程序，實現(xiàn)儀表所要求的功能。它是一個死循環(huán)程序，系統(tǒng)一上電，主監(jiān)控程序自動 運行，進入不斷計算和處理的循環(huán)中。基本過程為系統(tǒng)上電開始后，立即進行初始化； 初始化后，調(diào)用計算模塊，對信號采樣序列采用信號處理算法進行處理，計算出傳感器信 號中的渦街頻率；然后，根據(jù)所設(shè)定的儀表系數(shù)，計算瞬時流量和累積流量；接著進行LCD 刷新；接下來調(diào)用系統(tǒng)輸出模塊，根據(jù)計算出的瞬時流量，向外發(fā)送標準的4 20mA的電 流和輸出流量對應(yīng)的脈沖；輸出完成后，主監(jiān)控程序?qū)⒎祷?，重新開始進行新的循環(huán)。
當系統(tǒng)初始化完之后，就進入了計算模塊，計算過程中的幾個關(guān)鍵問題介紹如下。
(1) 采樣的點數(shù)定為N點，例如2048點；不同口徑的渦街流量計的采樣頻率不同，例 如，80鵬口徑測量氣體的渦街流量計的采樣頻率設(shè)為2833Hz。對2048點采樣值做快速傅 立葉變換(FFT)之后，用最大的幅值乘以設(shè)定的信噪比(例如，設(shè)定信噪比為1/3.75， 此時噪聲的幅值比渦街信號的大；這個值可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來做相應(yīng)的調(diào)整)作為幅 值的下限值，取某一幅值A(chǔ) mV為門限值，例如20mV;將同時大于這兩個值的峰值所對應(yīng) 的頻率記下來。此時，如果頻率的個數(shù)大于IO，則取前10個最大的頻率。
(2) 根據(jù)(1)確定的頻率，實時設(shè)計帶通濾波器。為了消除其他頻率分量的影響，本發(fā) 明系統(tǒng)采用6階帶通巴特沃斯數(shù)字濾波器。假設(shè)(l)中確定的其中一個頻率為B Hz，即中 心頻率為B Hz,帶寬定為10Hz，則上邊界的截止頻率為(B-5)Hz，下邊界的截止頻率為 (B+5)Hz。設(shè)計濾波器的流程如圖7所示。濾波器設(shè)計完成后，就對原信號進行數(shù)字濾波， 然后計算經(jīng)過濾波后數(shù)據(jù)延遲一段時間之后的自相關(guān)函數(shù)的幅值與r - 0時的自相關(guān)函數(shù) 的值的比值。如果有多個頻率，則分別濾波、計算比值。最后，取最小比值對應(yīng)的頻率作
為渦街流量信號的頻率。
(3) 數(shù)字濾波的公式為-
= (6。m(w) + ^豐-1) +. .Z>6w(w - 6) _ flf,x(w -1)-----a6x(w - 6)) / a0 (3)
式中，"(w)和x(w)分別代表采樣得到的原始信號序列和數(shù)字濾波之后的信號序列，
(6。，…，^，&，…,w為濾波器系數(shù)。濾波器系數(shù)通過計算得出，為了保證計算的精度，采用
double類型。
(4) 由于自相關(guān)函數(shù)的形式類似于正弦波，所以，取絕對值的平均值來計算其峰值，即絕對值的平均值是峰值的0. 637倍。為了減小計算量，可以只計算半個周期的自相關(guān)函 數(shù)絕對值的平均值。若要提高計算精度，也可以計算多個周期自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值。 實際的采樣頻率已知，信號的頻率可以通過頻譜分析得到，因此，自相關(guān)函數(shù)的半個周期 的點數(shù)M為
(4)
式中，^為采樣頻率，F(xiàn)為信號的頻率。
(5)根據(jù)不同采樣頻率，選擇不同的延遲時間。例如，針對80mm 口徑測量氣體的渦 街流量計，系統(tǒng)的延遲時間定為0.5秒，因此，式(2)中r的起始點為1416(即0.5秒X采 樣頻率2833Hz)。再根據(jù)式(4)實時確定出要計算的自相關(guān)函數(shù)的點數(shù)M。因此，要計算r 為1416, 1417,…，(1416+M-l)時的自相關(guān)函數(shù)。求這些點的自相關(guān)函數(shù)的絕對值(因 為有時候會取到負值，所以要取絕對值)之和，再除以M，得到這些點自相關(guān)函數(shù)絕對值 的平均值；再根據(jù)絕對值的平均值為峰值的0.637倍的關(guān)系，將結(jié)果除以0.637，就得到 這些點自相關(guān)函數(shù)的峰值。
9
權(quán)利要求
1、基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，由模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、單片機系統(tǒng)、脈沖輸出模塊、與外部單片機通信的通信模塊、人機接口模塊、電源模塊和外部看門狗組成，其特征在于首先對渦街流量傳感器的輸出信號進行頻譜分析，按照一定的信噪比及幅值門限確定頻率，這些頻率可以是一個也可以是多個；然后，將這些頻率作為帶通濾波器的中心頻率，分別對渦街流量傳感器輸出信號進行濾波；再計算濾波后信號在延遲τ后一段時間內(nèi)自相關(guān)函數(shù)的峰值與τ＝0時的自相關(guān)函數(shù)值的比值；最后，取最小比值對應(yīng)的頻率作為渦街流量信號的頻率。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 其特征在于渦街流量信號和機械振動噪聲具有不同的頻率帶寬特征，即振動噪聲是相對 的窄帶信號，渦街流量信號是相對的寬帶信號；而通過自相關(guān)函數(shù)計算可以反映出信號的 帶寬特征。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于模擬輸入模塊包括壓電傳感器、電荷放大器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器；模擬輸出模塊包括光耦、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和4 20mA輸出電路；單片機模塊包括 單片機MSP430F5418、復(fù)位電路、欠壓監(jiān)測電路、鐵電存儲器；脈沖輸出模塊包括光耦和 整形電路；與外部單片機通信的通信模塊包括通信模塊、光耦、整形電路和外部單片機； 人機接口模塊包括按鍵輸入和液晶顯示電路；電源模塊包括隔離和非隔離直流一直流變換 器、低壓差線性穩(wěn)壓器。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 其特征在于采樣的點數(shù)定為N點，不同口徑的渦街流量計的采樣頻率不同；對N點采樣 值做快速傅立葉變換之后，用最大的幅值乘以設(shè)定的信噪比作為幅值的下限值，取某一幅 值為門限值；將同時大于這兩個值的峰值所對應(yīng)的頻率記下來；此時，如果頻率的個數(shù)大 于IO，則取前10個最大的。
5、 如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強千擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 其特征在于針對權(quán)利要求4所確定的頻率BHz，實時設(shè)計帶通濾波器;采用6階帶通巴特 沃斯數(shù)字濾波器；帶寬定為10Hz，則上邊界的截止頻率為(B-5)Hz，下邊界的截止頻率為 (B+5)Hz。
6、 如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于取自相關(guān)函數(shù)的絕對值的平均值來計算其峰值，即絕對值的平均值是峰值的 0.637倍；為了減小計算量，可以只計算半個周期的自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；為了提 高計算精度，也可以計算多個周期自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；根據(jù)實際的采樣頻率和信 號的頻率，確定自相關(guān)函數(shù)的半個周期的點數(shù)。
7、如權(quán)利要求1所述的基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 其特征在于根據(jù)不同采樣頻率，選擇不同的延遲時間；確定出要計算的自相關(guān)函數(shù)的 點數(shù)；再計算一段時間內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)；求這些自相關(guān)函數(shù)絕對值的平均值；再根據(jù)絕對 值的平均值為峰值的0. 637倍的關(guān)系，得到這些自相關(guān)函數(shù)的峰值。
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測領(lǐng)域，為一種以單片機(MCU)為核心、基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)。渦街流量信號和機械振動噪聲具有不同的頻率帶寬特征，而自相關(guān)函數(shù)可以反映出信號的帶寬特征。通過對渦街流量傳感器的輸出信號進行頻譜分析、帶通濾波和自相關(guān)計算，確定渦街流量信號的頻率。本發(fā)明即使在渦街流量信號能量小于振動噪聲能量的情況下，且振動噪聲的頻率是變化時，仍然能夠得到準確的渦街流量信號頻率，從而排除強噪聲的干擾，確保渦街流量計的現(xiàn)場測量精度。
文檔編號G01F1/32GK101644590SQ20091014487
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者劉三山, 康一波, 徐科軍, 徐銀江, 剛 王, 磊 石, 羅清林 申請人:合肥工業(yè)大學(xué);重慶川儀自動化股份有限公司