一種抗振動干擾的數字化渦街流量計的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及流量檢測技術領域，為一種渦街流量計測量方法，特別是一種采用三線制探頭的抗振動干擾的數字化渦街流量計測量方法。
【背景技術】
[0002]渦街流量計作為一種流體振蕩型流量計，其不僅可以感受到傳感器受到的渦街力，同樣會感受到傳感器所受到的其它力，如管道傳遞的振動力、管道流體的沖擊力等。這些外界振動力和渦街力疊加在一起，會對渦街信號造成振動噪聲干擾。在某些情況下，振動噪聲的能量比較大，甚至大于渦街信號的能量，而且振動頻率在渦街信號頻率范圍內。針對此情況，采用常見的時域脈沖計數法或者頻域能量最大法均無法得到正確的結果。
[0003]中國發明專利CN101701834 A是從信號處理角度提出了一種抗強干擾的方法，是采用雙傳感結構，其中一個傳感器感受流量信號和振動噪聲即流量傳感器，另外一個傳感器感受振動噪聲和微弱的流量信號即振動傳感器，在流量信號計算上使用頻域相減和計算頻率方差相結合的方法計算瞬時頻率，根據現場的不同情況來進行切換，判斷出流量信號和振動噪聲。該方法實現的一個重要環節是擬合出頻率與幅值的閾值之間的關系式，但信號幅值不僅僅與頻率有關還與介質的密度相關，故擬合的關系式在介質密度發生變化時便不再適用。
[0004]為了能夠拾取振動和噪聲信號，并且能夠區別出渦街信號，從而提高渦街流量計的抗干擾能力，提高靈敏度，本申請人在公告號為CN203745009 U的實用新型專利申請文獻中公開了一種渦街流量計探頭，其是在一個探頭殼體11中設置壓電器件，壓電器件是在一個壓電芯柱22a上，以一上一下呈“串”字形間隔設置矩形上壓電片22b和矩形下壓電片22c，在壓電芯柱22a的頂端或底端設置配重塊33 ;在壓電芯柱22a、矩形上壓電片22b和矩形下壓電片22c上分別引出公有信號線44a、噪聲拾取信號線44b和流量信號線44c，該探頭用于拾取振動和噪聲信號，以便能夠區別出渦街信號，提高渦街流量計的抗干擾能力，提高靈敏度。該實用新型專利公告文本中已經公開了這樣的測量原理“測量時將探頭置于管道內部，管道內流體通過渦街發生體產生的漩渦信號使得渦街流量計探頭下部發生形變，從而在矩形下壓電片22c或環形下壓電片55c上感生出強的信號，該信號的頻率正比與流量；而振動信號則使得渦街流量計探頭的上、下壓電片或上、下壓電環都感生出強的信號，該信號的頻率正比與振動信號的頻率。因此，渦街流量計的探頭的下壓電片或下壓電環感生的信號的為流量信號與振動信號的復合體，而渦街流量計探頭的矩形上壓電片或環形上壓電環感生的信號則僅為振動信號。其說明書中還公開了通過對矩形上壓電片或環形上壓電片信號頻率的分析，可濾除下壓電片或下壓電環感生信號中的振動信號，從而得到純凈的流量信號，計算得到精確的流量值。但是該文獻中并未給出具體的抗振動干擾的信號處理方法。
【發明內容】
[0005]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種抗振動干擾的數字化渦街流量計的測量方法，是針對公告號為CN203745009 U的實用新型申請中公開的渦街流量計探頭，給出其測量方法，使得其在提高渦街流量計的抗干擾能力以及提高靈敏度上得到具體的應用。
[0006]本發明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0007]本發明抗振動干擾的數字化渦街流量計為:設置所述渦街流量計中流量計探頭的結構形式是:在一個探頭殼體中設置壓電器件，所述壓電器件是在一個壓電芯柱上，以一上一下呈“串”字形間隔設置矩形上壓電片和矩形下壓電片，在所述壓電芯柱的頂端或底端設置配重塊；在所述壓電芯柱、矩形上壓電片和矩形下壓電片上分別引出公有信號線、噪聲拾取信號線和流量信號線；
[0008]本發明抗振動干擾的數字化渦街流量計的測量方法的特點是按如下步驟進行:
[0009]步驟1:對噪聲拾取信號線和流量信號線中輸出的模擬信號經放大濾波并進行ADC采樣，獲得采樣序列；對于所述采樣序列進行FFT傅里葉變換獲得信號能量譜；分別對于所述信號能量譜中的峰值信號進行判斷，在任一峰值信號Ml的能量大于設定的能量閾值M，并且所述峰值信號Ml對應的峰值信號頻率Pl大于設定的頻率閾值P時，判斷峰值信號Ml為有效峰值，分別獲得噪聲信號有效峰值Mll和流量信號有效峰值M12，以及所對應的噪聲信號有效峰值頻率Pll和流量信號有效峰值頻率P12 ;
[0010]步驟2:對于所述噪聲信號有效峰值Mll和流量信號有效峰值M12按如下方法進行匹配:
[0011]對于每個流量信號有效峰值頻率P12，分別減去各噪聲信號有效峰值頻率P11，得到頻率差絕對值；若其中最小頻率差絕對值小于設定的頻率差閾值P2，則為獲得匹配，否則為不匹配；
[0012]若是獲得匹配的峰值信號Ml的個數為零，則判斷為流量計處于無流量狀態，輸出結果為零，完成測量過程；
[0013]若是獲得匹配的峰值信號Ml的個數為1，則判斷為流量計中只有渦街信號或者只有振動信號，則繼續進入步驟3 ;
[0014]若是獲得匹配的峰值信號Ml的個數為I大于1，判斷為有流量且有振動，則繼續進入步驟4 ；
[0015]步驟3:按如下步驟采用高頻能量比率算法來區別其為渦街信號或者是只有振動信號:
[0016]a、設定一頻域窗；將所述頻域窗在頻帶內滑動，直至所述頻域窗內有頻率；
[0017]b、在頻域窗沒有越界的情況下，將所述頻域窗在頻帶內繼續滑動，直至頻域窗內沒有頻率，并將頻域窗的結束頻率作為高頻分量的起始頻率；
[0018]C、計算獲得高頻分量的能量El以及整個帶寬內的能量E0，計算獲得高頻分量El在所述整個帶寬內的能量EO中的比率RO ;
[0019]d、將所述比率RO與設定的比率閾值Rl進行比較，若是所述比率RO大于比率閾值Rl時，判斷為振動噪聲；若是比率RO小于或等于比率閾值Rl時，判斷為渦街信號；
[0020]步驟4:首先判斷流量信號是否飽和，在流量信號未飽和時，使用能量比值的方法，計算獲得相匹配的流量信號有效峰值M12與噪聲信號有效峰值Mll的能量比值，并將能量比值最大值對應的流量信號頻率作為渦街頻率；當流量信號飽和時，以流量信號的最大能量峰值對應的頻率作為渦街頻率。
[0021]本發明抗振動干擾的數字化渦街流量計的測量方法的特點也在于:所述流量信號是否飽和的判斷方法是:
[0022]設定采樣點數NO，采樣頻率fs，信號周期T，信號頻率fO，對信號的采樣時間為tsampIe為:tsample = NO/fs，在采樣時間內采樣的信號周期數N為:N = tsample/T =N0*f0/fs，信號每個周期的采樣點數k為:k = fs/fO ;
[0023]信號飽和時為方波，則每個周期的飽和點數為k/2，因此整個采樣時間內的飽和點數Ns為:Ns = N*k/2 = N0/2 ;考慮到實際信號的差異，飽和點數Ns取理論值的0.5倍，即為N0/4 ;當信號采樣結束后，若飽和點數Ns大于N0/4，則認為信號飽和。
[0024]本發明方法是在信號匹配的基礎上，使用高頻分量比率算法和能量比值算法進行決策運算，與已有技術相比，其有益效果體現在:
[0025]1、本發明為公告號為CN203745009 U的實用新型申請中公開的渦街流量計探頭提供一種抗振動干擾的測量方法，使得其在提高渦街流量計的抗干擾能力以及提高靈敏度上得到具體的應用。
[0026]2、本發明使用信號匹配的方法使得渦街流量計探頭的上、下壓電片或上、下壓電環對流量信號或者噪聲信號檢測無一致性要求。
[0027]3、本發明使用高頻分量比率算法能夠確保正確區分只有流量或只有振動的情況，提高測量精度。
[0028]4、本發明使用能量比值的算法能夠提供抗振動干擾能力，即使振動噪聲信號能量強于渦街信號能量時，也可以正確篩選出渦街頻率。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明中所涉及的抗振動干擾的數字化渦街流量計探頭結構示意圖；
[0030]圖2為本發明方法流程圖；
[0031]圖3為本發明方法中只有渦街力時的噪聲信號頻譜圖；
[0032]圖4為本發明方法中只有外界振動時的噪聲信號頻譜圖；
[0033]圖5為本發明方法中高頻分量計算流程圖；
[0034]圖6為本發明方法中多個頻率匹配上時的渦街信號的頻譜圖；
[0035]圖7為本發明方法中多個頻率匹配上時的噪聲信號的頻譜圖；
【具體實施方式】
[0036]參見圖1，本實施例中抗振動干擾的數字化渦街流量計探頭的結構形式是:在一個探頭殼體11中設置壓電器件，所述壓電器件是在一個壓電芯柱22a上，以一上一下呈“串”字形間隔設置矩形上壓電片22b和矩形下壓電片22c，在所述壓電芯柱22a的頂端或底端設置配重塊33 ;在所述壓電芯柱22a、矩形上壓電片22b和矩形下壓電片22c上分別引出公有信號線44a、噪聲拾取信號線44b和流量信號線44c ;
[0037]本實施例中渦街流量計的測量方法是按如下步驟進行:
[0038]步驟1:對噪聲拾取信號線44b和流量信號線44