1 引言
旋进流量计是基于流体经过旋涡发生体时产生流体振动，而振动频率与流体的流速成正比。他们已有近30年的历史，主要包括精度高、线性度好，使用寿命长、线性范围宽，几乎不受湿度、压力、密度变化影响等优点，得到广大用户的青睐，在气体、液体、蒸汽等领域具有广阔的应用前景。但其采用的测量原理决定了振动信号易受外界噪声的干扰，当流体不稳定时，流体压力的波动以及来自系统和环境的振动和噪声等将使流量计的信噪比明显降低，特别是在低流速等信噪比小的情况下，甚至使其丧失其正常计量功能[1]。因此，如何对输出信号进行处理，从叠加了噪声的信号中提取有用的频率信号，成为了提高旋进流量计性能的重点。
2 旋进流量计存在的主要缺点
流量下限偏高，在低流速下极易受到各种干扰，从而无法保证其计量精度，是旋进流量计的缺点。目前，流量传感器采用的一般为压电晶体，其输出的信号为毫伏级，且其信号一般由两部分组成：
（1）由流速产生的正弦流体振动信号；（2）各种干扰引入的噪声信号。因此传感器输出的信号远非理想的正弦波，而是一个混有噪声的混合信号。当流量比较大时，流体振动信号较强，在同样强度的噪声干扰下，其信噪比高，干扰噪声的影响不显著，如图1所示，流量信号还是比较理想的正弦波，此时一般通过硬件电路整形滤波即可得到正常的流体振动频率信号。而当流量比较小时，流体振动信号较弱，信噪比小，干扰噪声的影响显著，流量信号的波形发生畸变，如图2所示，此时采用一般的硬件电路无法得到正常的流体振动频率信号。因此，低流速测量成为了限制旋进流量计应用的瓶颈。厂家一般通过规定下限截止频率、限制下限流量来解决此问题，但这样就牺牲了流量计的优点。其次，信号整形过程多采用阈值比较法，这也易引起漏计和多计现象现象，从而导致测量误差。目前，基于对称安装的双压电传感器构成的差动式结构使旋进流量计的抗干扰性能虽得到了很大提高[1]，但还有提高的空间。
3 旋进流量计信号处理方法
一般信号处理方法可分为模拟信号处理和数字处理两种。
3.1 模拟信号处理方法
模拟信号处理一般由硬件电路来实现。现在使用的旋进流量计，大多数产品虽采用了微处理器，但仅用于流量计算处理，而表征流速的频率仍用硬件电路实现，典型的电路和框图如图3所示，压电传感器输出信号经放大器N1、N2放大后再经N3差动放大，可滤除部分共模成分，再经过N4和斯密特电路D1的放大、滤波、整形，得到与流速成正比的脉冲频率信号，送入微处理器进行计数并运算处理，从而获得被测流体的流量。用硬件电路实现频率检测实时性较好，反应快。
3.2 数字信号处理
数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰性强、速度快等优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。国内外对于旋进流量计和涡街流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[2]、谱分析法、小波变换法[3]等。其中应用的较多的是谱分析的方法，谱分析法能够从含有噪声的信号中提取有用信号的主频率。但以往的FFT谱分析方法都只是采用单一的采样频率，缺少对高低频率同时适应的能力，降低下限作用不显著；另外，一般为采用DSP技术，无法实现微功耗，无法在电池供电系统使用。
4 低功耗自适应FFT方法
4.1 自适应FFT简介
在FFT谱分析中，系统的分辨率由采样频率fs与采样点数N来决定，即：
为满足旋进流量计电池供电的要求，必须采用微功耗单片机进行FFT功率谱分析。但在单片机实现的FFT谱分析中，为保证系统的实时性和低功耗要求，采样点数不能太高。为了提高系统的分辨率，就必须减小采样频率，但采样频率的降低又受香农采样定律的制约，即采样频率必须大于等于信号频率的2倍，以防发生频率混叠现象。采样频率必须根据信号最大频率选取，这时在低频段由于频率分辨率的不足就会造成测量误差。因此，用普通的FFT谱分析方法难于满足旋进流量计在低流速时的需要。为此，我们提出了自适应的FFT功率谱分析方法，它是将FFT的采样频率进行分段而不是采用单一采样频率，以适应高低频段的要求。
4.2 自适应FFT方法的实现
要实现自适应FFT技术，就需要预先测得流量传感器输出信号的大体频率范围，以确定所选用的采样频率。此方法为由单片机先测量流量传感器输出的信号经放大整形得到的脉冲频率值，再通过阈值比较的方法来获得。在FFT的应用中，使用较多的是针对采样点数N等于2的整数次幂的算法，它们主要有基2算法、基4算法、分裂基算法等。“基”数越大，运算的次数越少，但是当“基”数大于4后，运算次数的减少不再明显，因此常用的是基2算法和基4算法。因基2算法较为简单且运用广泛，所以我们采用基于频率采样（DIF）的基2算法来实现FFT变换。
采用基-2频分FFT算法（DIF），其分步运算流程图如图4。
在RAM存储空间中存储N=512的序列，由于快速傅里叶是原位运算，即每一个运算蝶的输入和输出占据相同地址的存储空间，因而在实现FFT过程中无需额外的存储空间。
快速傅里叶变换中有复数参与运算，因而序列是复数序列。复数包含实部和虚部，分别以12位浮点数FPP12表示，并用前文所述的方法存入3个字节，即一个复数占据3字节的存储空间。在蝶运算之前，先从存储空间中读出两个3字节的复数x（n）和x（n+N/2），并分别拆分成FPP12格式的实部和虚部，分别存入暂存器中，然后再进行蝶运算。在蝶运算之后，将结果两个复数的实部和虚部用前文所述的方法压缩为两个3字节的复数，分别存入原存储空间x（n）和x（n+N/2），作为下一级运算的x0（n）和x1（n），实现原位运算，进而实现FFT。
考虑到流量计低功耗的需求，我们采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F149，并用C语言编程实现了自适应的FFT谱分析法[4]，电路设计如图5所示。考虑到在中上流量段，流量计信噪比高，不易受到干扰，我们采用频率测试判断方法。对于不同口径，设置不同频率阈值，当CPU的A端口检测到的频率大于阈值时，直接置B端口为高电平，将整形放大后的脉冲信号直接送到流量计的表头计数处理，且FFT模块中的CPU直接进入休眠状态，以降低功耗。而当频率低于阈值时，即启动FFT模块，进入FFT过程，同时CPU的B端口置为低电平，关闭前置信号输出通道，而由FFT计算后所得频率信号输出到信号输出口。另外，为了进一步降低功耗，主程序均采用中断方式，减少等待时间，达到进一步降低功耗的目的。系统的软件流程图如图6所示。
4.3 自适应FFT参数确定
4.3.1 采样点数
由于采用的FFT算法为基2算法，所以采样点数应是2的指数幂。采样点数越多，FFT谱波越接近理想状态，功率谱的谱峰值越高，对噪声的抑制能力也越强。为了保证计算精度，FFT谱分析采样点数一般要大于512点。但是随着采样点数的增多，系统的运算任务也越大，运算时间会较长，加之单片机存储空间的限制采样点数不能太大，经折中考虑，选取采样点数为1024点。实际证明，1024个采样点能兼顾单片机的运算时间和计算精度的需要。
4.3.2 采样频率
采样频率要综合考虑香农采样定理和分辨率的要求来选择。在FFT程序中采样频率是由Time_B的连续计数模式来实现的，则可设定流量信号的采样周期为：
T=N/32768=4×SAMPLE_NUM/32768
对应的采样频率为：
f=8192/SAMPLE_NUM
在程序中比较|x（k）|2的值，得到最大值为kmax=|X（k）|ma2，从而得到流体振动频率F。
当FFT模块第一次AD采样时，其采样频率是通过单片机粗测的频率值来确定采样频率，选择的依据是让采样频率大于信号频率的4倍而小于8倍（见表1）。而通过FFT计算得到信号频率Fv后，紧接的下次采样频率是由上次Fv的值进行确定的，确定依据也是按表1进行。采样频率的选择是通过改变SAMPLE_NUM的值实现的。SAMPLE_NUM取为2的整数倍。
5 实验与结果
我们对一台DN50的旋进流量计在LXH-600临界流喷嘴气体流量标准标定装置上进行了性能比对试验。A方案为仅带图3的模拟信号处理电路模块，B方案为在A方案的同个模拟信号处理电路模块上增加FFT处理模块，原理框图如图5所示。同时对两种形式都采用了无干扰源和有干扰源的方案进行了测试，干扰源的加入方法是在后直管段的5D处增加振动幅度为5mm、频率为20Hz的振动干扰源。且FFT处理模块的频率阈值取200Hz（对应流量约为30m3/h），实验结果如表2所示。
上面的实验结果表明：
（1）当流量为4.95m3/h时，此时流速很低，旋涡振动弱，仅采用模拟信号处理电路模块的A方案无法检测流量，加入振动时，频率波动更大。而增加FFT模块后的B方案，即可准确检测到流量值，说明采用自适应FFT方法后，流量计的流量下限得到明显下降，提高了流量范围度。（2）当流量为8.1m3/h时，若无干扰，仅采用模拟信号处理电路模块的A方案也可准确检测流量值，但当有干扰时，即频率波动范围大，无法正常检测。当流量提高到27.9m3/h时，才基本不受干扰影响。而增加FFT模块后的B方案，均可准确测量流量，说明采用自适应FFT方法后，流量计的抗干扰能力得到很大的提高。
（3）当流量大于频率阈值对应的流量（30m3/h）时，此时流量已能准确测量，关闭了FFT模块，两种方案所测频率范围一致。
（4）当流量大于频率阈值对应的流量（30m3/h）时，FFT模块处于关闭状态，其功耗仅0.05mW，而当FFT模块打开时，其功耗也仅1.2mW，假设流量计1/3时间处于FFT模块打开状态，2/3时间处于FFT模块关闭状态，其平均增加功耗仅0.44mW，实际上只要选型正确，流量计大部分时间应工作在中大流量，FFT模块大部分时间应为关闭状态，所以可完全满足微功耗系统的需要。
6 结束语
本文提出的以硬件电路粗判流量传感器输出信号频率，并按不同频段变采样频率的自适应FFT功率谱分析方法，既可解决旋进流量计抗干扰差的缺点，又可有效降低流量计的流量下限，扩大流量范围度，同时又可满足流量计微功耗的需要。以50mm口径旋进流量计为例，实验表明，加入FFT模块后，流量计的流量下限从8.1m3/h下降到4.95m3/h，可测量的小流量值得到明显改进，同时在中小流量段，测量准确可靠，基本不受干扰影响，抗振性能明显改进。可以预见，通过进一步完善，这种方法将在旋进流量计中得到推广应用，成为改进旋进流量计性能的极好办法。此外，这种信号处理方式的应用不单局限于旋进流量计，在旋涡进动流量计与射流流量计等其他振动式流量计中也同样适用。
参考文献
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[3]徐科军，汪安民．基于小波变换的涡街流量计信号处理[J].仪器仪表学报，2000，21（2）：222-224.
[4]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：航空航天大学出版社，2002.
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