基于流體振動而引起旋渦分離原理的渦街流量計自20世紀60年代末出現(xiàn)以來發(fā)展十分迅速，其具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長、介質(zhì)適應(yīng)性寬、價格低廉等眾多優(yōu)點。但渦街流量計對外界振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感，其傳感器不僅可以檢測渦街信號，還會檢測到管道振動、管道流體的沖擊力以及由于流體壓力的變化等所產(chǎn)生的隨機信號。所以，當前國內(nèi)外的渦街流量計都無法準確測量低流速的流量，量程比普遍都不高，并且現(xiàn)場環(huán)境的干擾對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。針對這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者嘗試從數(shù)字信號處理角度來解決:如基于FF F的經(jīng)典譜分析方法、基于Burg算法的現(xiàn)代譜估計方法、自適應(yīng)陷波方法、小波分析方法、功率譜分析方法和互相關(guān)方法、自適應(yīng)濾波方法等。
本文在分析渦街信號及其噪聲特點的基礎(chǔ)上，提出一種基于經(jīng)典譜估計改進方法的渦街流量計，該方法采用信號抽取改變采樣頻率和Welch功率譜估計相結(jié)合的方法處理渦街信號。
2渦街傳感器信號特點
2.1渦街傳感器信號
渦街流量計的渦街信號由壓電晶體傳感器產(chǎn)生，理想情況下為正弦信號，該信號頻率與流體流速成線性比例關(guān)系，工程應(yīng)用中一般測量該信號的頻率，然后根據(jù)儀表系數(shù)換算成實際的流量。但由于受到各種噪聲的干擾，如高斯白噪聲、流體低頻擺動噪聲、機械振動噪聲和壓電晶體固有振蕩噪聲等，使得傳感器的輸出信號混雜著很強的噪聲而難以準確測量。
渦街信號幅度動態(tài)范圍較大，且在小流量時非常微弱，容易被噪聲淹沒。因此，模擬信號處理電路必須具備可變增益調(diào)節(jié)和濾波能力，數(shù)字信號處理方法必須實現(xiàn)準確的功率一頻率計算，以滿足量程比的需求和測量精度要求。
2.2前級信號處理電路
前級信號處理電路如圖I所示，電荷放大器將壓電傳感器產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為與之成比例關(guān)系的電壓信號，程控增益放大器可對高幅度變化的渦街信號進行可變增益調(diào)節(jié)工川，模擬低通濾波器可以有效地濾除高頻噪聲以抑制后續(xù)頻譜分析時的混疊現(xiàn)象。帶ADC的微控制器采樣模擬電路預(yù)處理后的渦街信號，并根據(jù)信號峰峰值控制程控增益放大器的放大倍數(shù)。
3渦街信號分析處理方法
渦街信號的數(shù)字分析處理過程如圖2所示，ADC以較高的采樣頻率對信號進行采樣，然后直接使用FFT算法進行功率譜估計，并計算出渦街信號的區(qū)間范圍。根據(jù)信號的區(qū)間范圍選擇相應(yīng)的抗混疊濾波器濾波[[9]，然后采用信號抽取的方法降低采樣頻率以便實現(xiàn)更高精度的功率潛分析。最后，對數(shù)據(jù)進行加哈明窗交疊分段再使用FFT算法計算出各段的功率譜并求平均，即Welch功率譜估計方法，計算出渦街流量計信號更精確的功率譜。