電磁式渦街流量計(jì)測(cè)量含氣導(dǎo)電液體流量，在測(cè)量含氣導(dǎo)電液體流量時(shí)，電磁式渦街流量計(jì)利用已有的信號(hào)處理方**出現(xiàn)流量信號(hào)頻率計(jì)算錯(cuò)誤的現(xiàn)象，造成較大的測(cè)量誤差。為此，提出基于信號(hào)微分和快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析的算法，放大高頻流量信號(hào)，抑制低頻氣泡噪聲干擾，使整體流量信號(hào)能量占優(yōu)，從而找到正確的流量信號(hào)頻率。研制基于DSP的電磁式渦街流量變送器系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一套兩相流實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)含氣量不超過(guò)3.9%時(shí)，所研制的電磁式渦街流量變送器系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量誤差優(yōu)于±3%，大大減小了測(cè)量含氣導(dǎo)電液體流量的誤差。

電磁式渦街流量計(jì)是一種基于卡門(mén)渦街原理和電磁感應(yīng)原理工作的流量?jī)x表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢靠，壓力損失小，使用壽命長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)。電磁式渦街流量計(jì)采用電磁的方法檢測(cè)渦街的頻率，與渦街流量計(jì)相比，其輸出信號(hào)不受管道振動(dòng)和周邊振動(dòng)源干擾的影響，測(cè)量可靠性高；與電磁流量計(jì)相比，信號(hào)處理難度降低，無(wú)零點(diǎn)漂移。
對(duì)于單相導(dǎo)電液體流量，由于電磁式渦街流量計(jì)不受振動(dòng)干擾，因此，采用基于快速傅里葉變換(FFT)的頻譜分析方法就能準(zhǔn)確測(cè)量出流量信號(hào)的頻率。對(duì)于氣液兩相流，電磁式渦街流量計(jì)要測(cè)量的是導(dǎo)電液體體積流量，而氣體是干擾量。由于氣泡噪聲的干擾，信號(hào)發(fā)生畸變，此時(shí)若仍利用單相流下的處理方法可能得不到正確的流量信號(hào)頻率，從而造成較大的測(cè)量誤差。而針對(duì)電磁式渦街流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流這一課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還未開(kāi)展過(guò)研究。由于氣液兩相流廣泛存在于化工、能源動(dòng)力、石油工業(yè)和食品加工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因此，研究氣液兩相流中含氣導(dǎo)電液體流量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的意義。
為此，本文提出一種基于信號(hào)微分和FFT頻譜分析的信號(hào)處理方法，并研制基于DSP的電磁式渦街流量計(jì)變送器系統(tǒng)，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)算法。為驗(yàn)證算法的有效性，設(shè)計(jì)了一套氣液兩相流實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行了氣液兩相流水流量測(cè)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的信號(hào)處理方法實(shí)時(shí)測(cè)量誤差優(yōu)于±3%。
1、信號(hào)處理方法
1.1 信號(hào)處理原理
電磁式渦街流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)旋渦頻率f(單位為Hz) 來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的。對(duì)于卡曼渦街而言，產(chǎn)生的漩渦頻率f與發(fā)生體兩側(cè)的平均流速之間的關(guān)系為：

式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)；v為測(cè)量管道內(nèi)流體的平均流速(單位為m/s)；d為發(fā)生體迎流面特征寬度(單位為m)；m為發(fā)生體兩側(cè)的弓形面積之和與管道的橫截面積之比。假設(shè)測(cè)量管道內(nèi)徑為D(單位為m)，測(cè)量管道內(nèi)流體的瞬時(shí)體積流量為qv(單位為m3/s)，渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)為K(單位為m－3)，則：

當(dāng)管道雷諾數(shù)在一定的范圍內(nèi)時(shí)，儀表系數(shù)K可視為常數(shù)，可以通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到。由上分析可知，電磁式渦街流量計(jì)測(cè)量含氣導(dǎo)電液體流量，前提是能夠檢測(cè)出正確的渦街頻率f，即流量信號(hào)頻率。
水流量為5.5m3/h時(shí)未注氣純水流量信號(hào)和注氣量為1.32L/min的氣液兩相流信號(hào)如圖1所示。可見(jiàn)，單相純水流量信號(hào)近似為規(guī)律的正弦波信號(hào)，而氣液兩相流時(shí)信號(hào)發(fā)生畸變，不再是規(guī)律的正弦波信號(hào)。對(duì)于單相純水流量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，頻譜圖中幅值大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為流量信號(hào)頻率；對(duì)于氣液兩相流信號(hào)，這種方法得到的頻率可能不是正確的流量信號(hào)頻率。

圖1中兩組信號(hào)的頻譜如圖2所示。可見(jiàn)，利用FFT頻譜分析能得到純水流量信號(hào)的頻率，而對(duì)于氣液兩相流信號(hào)，低頻噪聲嚴(yán)重，找到的頻率并不是正確的流量信號(hào)頻率。這是因?yàn)楫?dāng)水流量中含有氣泡時(shí)，氣泡會(huì)劃過(guò)電極，使電極與水流量的接觸電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電極輸出的信號(hào)產(chǎn)生低頻漂移，即產(chǎn)生低頻氣泡噪聲，且低頻漂移的信號(hào)幅值與注氣量成正相關(guān)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)多組不同水流量下不同注氣量的流量信號(hào)的頻譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣泡噪聲有以下特點(diǎn)：氣泡噪聲主要為低頻噪聲，氣泡噪聲在不同注氣量下的低頻帶寬會(huì)發(fā)生變化，氣泡噪聲頻帶可能落在電磁渦街流量信號(hào)的頻率范圍內(nèi)。因此，不能設(shè)計(jì)帶通濾波器或陷波器來(lái)濾除干擾，也不能直接從頻域中提取電磁渦街流量頻率。
綜合以上分析，提出基于信號(hào)微分和FFT頻譜分析的信號(hào)處理方法，通過(guò)對(duì)氣液兩相流信號(hào)進(jìn)行微分處理，降低氣泡噪聲干擾的能量和權(quán)重，使整體電磁渦街流量信號(hào)能量占優(yōu)。假設(shè)氣液兩相流信號(hào)為x(t)，流量信號(hào)假設(shè)為正弦信號(hào)，頻率為f0，噪聲信號(hào)用noise(t)表示，則信號(hào)x(t)為：

可見(jiàn)，對(duì)信號(hào)微分后流量信號(hào)的頻率不變，且相對(duì)于低頻氣泡噪聲，高頻流量信號(hào)放大倍數(shù)變大，也就是說(shuō)，基于信號(hào)微分的處理方法能放大高頻流量信號(hào)，抑制低頻干擾，使整體流量信號(hào)能量占優(yōu)。
本研究中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，且每?jī)牲c(diǎn)之間的采樣間隔較短，故可用兩點(diǎn)信號(hào)幅值之差代替該點(diǎn)的微分。對(duì)于數(shù)字信號(hào)x(n)，其第n點(diǎn)的微分結(jié)果y(n)為：

對(duì)圖1中的注氣信號(hào)進(jìn)行微分處理，信號(hào)微分前后時(shí)域波形如圖3所示?？梢?jiàn)，對(duì)信號(hào)微分后，有效地抑制了氣泡噪聲帶來(lái)的干擾。信號(hào)微分前后頻域幅值譜如圖4所示，可見(jiàn)，微分后使流量信號(hào)能量權(quán)重由0.4722(即0.017/0.036)上升為2.0667(即0.0031/0.0015)，從而能正確地識(shí)別出流量信號(hào)頻率為27.34Hz，與圖2所示純水流量的信號(hào)頻率27.83Hz較為接近。

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，點(diǎn)數(shù)不能太多；而為了zui大程度地還原傳感器輸出信號(hào)，采樣頻率又不能太低。因此，造成頻率分辨率較低，進(jìn)而影響測(cè)量精度。所以，在計(jì)算出頻率信息后，采用頻譜重心校正的方法改善因分辨率較低而帶來(lái)的誤差。頻譜重心校正是利用窗函數(shù)主瓣內(nèi)的譜線求主瓣中心的坐標(biāo)，得到準(zhǔn)確頻率、幅值和相位。根據(jù)主瓣函數(shù)的特點(diǎn)用重心法規(guī)求中心坐標(biāo)。下面對(duì)本文采用的矩形窗給出校正公式。利用矩形譜的模函數(shù)：

為了排除隨機(jī)噪聲干擾，對(duì)校正后的頻率每20點(diǎn)進(jìn)行排序，去除等個(gè)數(shù)的zui大值、zui小值，取中間部分的平均值作為當(dāng)前頻率輸出值。為了使輸出的頻率值更為穩(wěn)定，可以再對(duì)輸出的頻率值進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波。
1.2 數(shù)據(jù)分析對(duì)比
對(duì)采集的6.5、5.5、4.5、3.5m3/h四個(gè)流量點(diǎn)下不同注氣量的信號(hào)進(jìn)行離線處理，每組數(shù)據(jù)利用兩種信號(hào)處理方法得到的流量信號(hào)頻率如表1所列。方法1，對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，得出流量信號(hào)頻率，再進(jìn)行頻譜校正、中位值濾波和滑動(dòng)平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率；方法2，先對(duì)信號(hào)微分，再進(jìn)行FFT頻譜分析，得出流量信號(hào)頻率，zui后進(jìn)行頻率校正、中位值濾波和滑動(dòng)平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率?？梢?jiàn)，在含氣量較大時(shí)，方法2計(jì)算出來(lái)的流量信號(hào)頻率明顯比方法1準(zhǔn)確。