1 引 言
涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表,应用日渐广泛。测量原理如图1所示,管道中垂直插入一非流线型对称形状的漩涡发生体,当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的漩涡,频率为f。经过推导,流体的体积流量Q与漩涡频率f有如下关系:
Q =f/K (1)
式中:K———流量计的流量系数。
在一定雷诺数范围内K为常数,流量Q与漩涡频率f成线性关系。因此,只要测出f,就能求得体积流量Q。
现在广泛应用的涡街流量计大都采用压电传感器将漩涡产生的交替变化压力转换为电荷信号,电荷的变化频率与漩涡的脱离频率一致,通过硬件电路对电荷信号进行放大、滤波、整型、计数,得到漩涡的频率。在工业现场应用时,涡街流量计安装在管道中,受管道及附近设备的振动和流体的速度脉动的影响,压电传感器输出的信号不是理想的正弦信号,叠加了各种干扰信号,而且有时这种干扰信号会比真实信号大得多,这就对涡街信号的后续处理提出了很高的要求。现在的处理方法是通过模拟滤波电路削弱或消除无用的频率成分,保留反映流速的有效频率成分,来提高信噪比。这种方法成本低、响应速度快、实时性好,但是电路的通用性差,不能及时跟踪涡街信号频率的变化。这是因为滤波器通带及电路参数与一定的流速范围相对应,而流体流速随不同流体(气、液)、不同管道口径等会有很大差别,因此应用于不同场合的涡街流量计后续处理电路板是不能随意互换的;并且即使在相同介质、相同管径时,流速变动范围也很大,例如蒸汽管道输送量随不同时间、不同季节差异非常大,而后续电路的参数是固定的,滤波器的通带也是固定的,难以跟踪流速的大范围变化,所以会引起测量精度下降,甚至不能正确测量。对此,一些研究人员提出了用软件处理信号的方法,如Amadi-Echendu、谢宇怀和徐科军等提出了应用各种频谱分析方法对信号进行处理[1~4]。这些方法对干扰信号有较强的抑制作用,能及时跟踪流速变化,提高了测量精度,但是计算量大,难以满足实时处理的要求。
数字滤波由于参数调整方便,稳定性、重复性好,实现方便,所以在智能仪器系统中得到了广泛应用。谢宇怀在涡街信号处理中开展了数字滤波方法的研究[1],采用Butterworth滤波、低通滤波、中位数滤波相结合的滤波方法对信号进行处理,实验证明这种方法能有效提高信噪比。但是在实际应用时,信号需要经过三级滤波,存在计算量大、实时性较差的问题,并且滤波器的系数都是非整数,容易用高级语言实现,当用汇编语言等编写程序时,更希望滤波器的系数为整数。为此,提出采用简单整系数数字滤波器对涡街信号进行处理,并取得了较好效果。
2 简单整系数数字滤波器的设计
数字滤波即程序滤波,它通过一定的计算程序对信号进行处理达到滤波的目的。连续信号首先经过A/D采样,得到离散信号进入计算机后,才能进行数字滤波。数字滤波器的设计方法很多,常用的有利用模拟滤波器的设计方法,如But-terworth滤波器、Chebyshev滤波器、椭圆滤波器,还有利用窗函数的设计法和频率抽样设计法[5]。这些设计方法可以给出性能相当好的滤波器,但它们的系数一般为非整数。对涡街信号作实时滤波处理时,要求滤波器的计算速度快,设计简单易行,当用汇编语言编写程序时,希望滤波器的系数为整数,对滤波器的性能要求并不是很精确,只要反映流体流速的频率在滤波器的通带范围之内,噪声信号得到有效衰减即可。所以,在此采用建立在极—零点抵消基础上的简单整系数滤波器处理涡街信号。
设滤波器的输入为x(n),输出为y(n),滤波器的转移函数为H(z),频率响应为H(ejω),当转移函数为:
其幅频特性见图4,显然它具有带通特性。
为保证式(6)的带通滤波器的系数为整数,2cos(ω2)应取1、0、-1,则带通滤波器的中心频率只能取π/3、π/2及2π/3这三个值。也就是说,中心频率f2只能位于fs/6、fs/4及fs/3处,fs为A/D采样频率。为了在π/3处安排极点以抵消该处的零点,那么M的取值应为6的倍数。
由于这种类型带通滤波器的中心频率与采样频率有一定限制关系,中心频率由所测流体的特征决定,所以采样频率也由此确定。
3 应用结果分析
涡街流量计安装在内径为25mm的气体管道上。取出压电传感器信号,经过电荷放大器,A/D采样后进入计算机,数字滤波后用软件计频。气体管道中流体流速对应的中心频率在300 Hz左右,采样率定为中心频率的6倍,可用2 kHz频率采样,M取为12。对应的滤波器的转移函数为:
12) (9)
由式(8)可见,此滤波器的系数为1和-1,利用式(9)进行滤波计算时只作加减法,加快了运算速度,特别适合实时处理数据。
图5、6给出了两组测量信号,原始信号经数字滤波后,采用多倍周期法计频。图5是在没有大的外界振动干扰下得到的数据,测得频率为335Hz。图6是在测量过程中,管道受到振动干扰后得到的涡街信号,经过数字滤波后可见干扰信号的高低频成分被滤掉了,保留了反映流速的频率,测得的频率还是335Hz,二者结果一致。这说明,数字滤波方法有较好的抗干扰能力。
为了保证中心频率及时跟踪流速变化,只需根据测得的频率调整采样频率,使采样频率为中心频率的6倍,而滤波器的参数不用更改,编程方便。
4 结 论
本文提出了一种采用简单整系数滤波器处理涡街信号的方法,滤波器的设计建立在极—零点抵消基础上,滤波器系数为整数,且为1或-1,在滤波过程中不需要使用乘法,计算量小,容易用汇编语言实现,有利于涡街信号的实时处理,并能及时跟踪流体特性的变化,实现真正广义通用性,使一台涡街流量计能用于不同介质不同口径下流体的测量。测量结果证明,该方法有较好的抗噪声能力,提高了测量精度,是一种新的涡街流量信号处理方法,具有很好的实用价值,为单片机应用数字滤波器代替模拟滤波器提供了一条新的途径。
[参考文献]
[1] 谢宇怀.智能压电式涡街流量计及其抗干扰技术研究[D].浙江大学,2001.
[2] J EAmadi-Echendu,Hengjun Zhu,EHHigham.AnalysisofSignalsfromVortex Flowmeters[J].Flow Meas Instrum,1993,4(4):225-231.
[3] 徐科军,汪安民.基于小波变换的涡街流量计信号处理方法[J].仪器仪表学报,2001,22(6):636-639.
[4] 谢宇怀,黄显元,张宏建,等.压电式涡街流量计噪声处理方法研究[J].机电工程,1999,16(5):194-195.
[5] 胡广书.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,1997.
