專利名稱：基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及流量檢測領域，為一種渦街流量計，特別是一種以單片機(MCU)為核 心、基于雙傳感器的抗強干擾數字渦街流量計。
背景技術：
渦街流量計應用于工業現場測量時，由于管道與水泵、閥門和電動機等設備相連， 所以，流量計常常受到機械振動的干擾。在有些情況下，機械振動噪聲的能量比較大，有時 甚至大于渦街流量信號的能量，并且其頻率在渦街流量信號頻率范圍內。針對這種情況， 采用通常的頻譜分析很難從噪聲中提取渦街流量信息，因為通常頻譜分析的前提是流量信 號的能量要大于噪聲能量。為此，中國發明專利公布了一種抗強固定干擾的渦街流量計數 字信號處理系統(徐科軍，朱志海，劉三山，姜鵬.抗強固定干擾的渦街流量計數字信號處 理系統，申請發明專利，200910116107. 1，申請日2009. 1. 21.)。考慮到當現場設備和管道 安裝好之后，振動的頻率就固定下來了這個實際情況，該發明專利提出以下方案來解決此 問題(l)采集渦街傳感器的信號進行頻譜分析，根據渦街流量信號是寬帶信號和固定振 動信號是窄帶信號的特點，以及現場設備的有關參數，例如電機的轉速等，確定出管道的固 定干擾頻率；(2)根據固定干擾頻率，設計陷波濾波器，以陷掉固定干擾信號。但是，在有些 情況下，振動干擾頻率是變化的，這種信號處理方法就不適用了 。為此，中國發明專利公布 了一種以單片機(MCU)為核心、基于單傳感器的抗強干擾的渦街流量計數字信號處理系統 (徐科軍，羅清林，王剛，劉三山，康一波，石磊，徐銀江.基于單傳感器的抗強干擾的渦街流 量計數字信號處理系統，申請發明專利，200910144877. 7，申請日2009. 9. 8.)。渦街流量信 號和機械振動噪聲具有不同的頻率帶寬特征，而自相關函數可以反映出信號的帶寬特征。 通過對渦街流量傳感器的輸出信號進行頻譜分析、帶通濾波和自相關計算，確定渦街流量 信號的頻率。 國外SCHLATTER, Gerald, L.提出在建立噪聲模板和信號模板的基礎上，用頻域 轉換和互相關功率譜相結合的方法來消除渦街流量計中的強噪聲("Signal processing method andapparatus for flowmeter "， WO 90/04230,19 April 1990)。但是，噪聲情況 各種各樣，不易獲得噪聲的所有模板。并且，專利沒有說明如何建立信號和噪聲的模板。
發明內容
本發明專利的技術方案是采用雙渦街流量傳感器，通過適當的安裝，使其中一個 傳感器感受流量信號和振動噪聲(以下簡稱流量傳感器)，另一個傳感器感受振動噪聲和 微弱的流量信號(以下簡稱振動傳感器)。采用頻域相減和計算頻率方差相結合的算法，根 據現場的不同情況來進行切換。首先通過基于快速傅里葉變換(FFT)的幅值譜分析，計算 兩個傳感器輸出信號中幅值譜峰值的個數。當流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數減去 振動傳感器的個數大于或等于1時，認為有流量且其頻率與振動頻率不同，此時，采用頻域 相減的方法；當流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數與振動傳感器的個數相等時，此時會有兩種情況(l)只有振動；(2)流量與振動為同一個頻率。當只有振動時，儀表應該只 輸出0 ;當流量與振動為同一個頻率時，儀表應該輸出流量的頻率。為了區別這兩種情況， 本發明專利提出計算頻率方差的方法。該算法的原理是管道內流動介質的紊流、脈動以及 流場的不穩定對旋渦發生體施加了不規則的附加作用，使得渦街流量信號的實際頻率在理 想頻率的左右擺動。而機械振動噪聲是由水泵、風機等設備的機械外力引起的，在實際中， 其頻率基本不變。所以，當只有振動時，其頻率的方差比較小；當流量與振動為同一個頻率 時，傳感器的輸出信號是兩種共同作用的結果，所以，頻率的跳動會比較大，方差也就比較 大。通過設定適當的閾值，就可以將這兩種情況區別開來。 本發明專利的優點是采用兩個傳感器，采用頻域相減和計算頻率方差相結合的 方法，判斷出流量信息和振動噪聲，提取出流量信息，即使在渦街流量信號能量小于噪聲能 量時，仍然能夠得到準確的渦街流量信號頻率，從而排除強噪聲的干擾，確保現場測量精度。
圖1是雙傳感器安裝主視圖。
圖2是雙傳感器安裝側視圖。
圖3是系統硬件結構框圖。
圖4是系統軟件結構框圖。
圖5是主監控程序流程圖。
圖6是算法流程圖。 圖7是流量與振動頻率不同時的流量傳感器頻譜圖。
圖8是流量與振動頻率不同時的振動傳感器頻譜圖。
圖9是頻域相減流程圖。 圖10信號個數一樣時的流量傳感器頻譜圖。
圖11信號個數一樣時的振動傳感器頻譜圖。
圖12計算頻率方差流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。 本發明的設計思想是在工業現場，渦街流量傳感器的輸出信號中常常既含有渦 街流量信號又含有機械振動噪聲，當機械振動噪聲信號的能量大于渦街流量信號的能量 時，采用以往的數字信號處理方法無法得出正確的測量結果。采用雙傳感器，同時采用頻域 相減和計算頻率方差相結合的算法，來消除其對流量計的影響。當測量流量時，一個傳感器 感受流量信號和振動噪聲(以下簡稱流量傳感器)，另一個傳感器感受振動噪聲和微弱的 流量信號(以下簡稱振動傳感器)。這兩個傳感器是通過連桿相連接的，只是流量傳感器位 于流量管中，而振動傳感器位于管道的上方。雙傳感器安裝的主視圖和側視圖如圖l和圖 2所示，圖中所示手柄l，表體2，三角柱3，石墨墊4，探頭5。 本發明系統的總體結構如圖3所示。本發明系統由流量傳感器、振動傳感器、模擬 輸入模塊、模擬輸出模塊、單片機系統、脈沖輸出模塊、與外部單片機(MCU)通信的通信模塊、人機接口模塊、電源模塊和外部看門狗組成。 其中，模擬輸入模塊包括電荷放大器、限幅放大器、低通濾波和跟隨器、電荷放大 器、限幅放大器、低通濾波和跟隨器；模擬輸出模塊包括光耦、數模轉換器(DAC)和4 20mA輸出電路；單片機模塊包括單片機MSP430F5418、復位電路、欠壓監測電路、鐵電存儲 器；脈沖輸出模塊包括光耦和整形電路；與外部MCU通信的通信模塊包括通信模塊、光耦、 整形電路和外部單片機；人機接口模塊包括按鍵輸入和液晶(LCD)顯示電路；電源模塊包 括隔離和非隔離直流-直流變換器(DC-DC)、低壓差線性穩壓器(LDO)。
本發明系統的基本工作過程為流量傳感器信號和振動傳感器信號分別通過模擬 信號輸入及調理模塊，適當放大、低通濾波去掉高頻分量后，送入模數轉換器(ADC)，完成信 號的采樣；數字信號處理模塊用算法對采樣的信號進行分析處理，得到流量值；最后，系統 將流量測量結果通過電流、脈沖向外發送，或者通過通信模塊將流量信息傳遞給外部單片 機(MCU)。 本發明專利的軟件總體框圖如圖4所示。系統軟件開發采取模塊化設計方案，將 子程序組成功能模塊，由主監控程序和中斷服務程序統一調用。本系統基本功能模塊包括 主監控模塊、中斷模塊、看門狗模塊、鐵電操作模塊、人機接口模塊、初始化模塊、計算模塊 和輸出模塊。 本發明專利的主監控程序流程如圖5所示。主監控程序是整個信號處理系統的總 調度程序，調用各個模塊中的子程序，實現儀表所要求的功能。它是一個死循環程序，系統 一上電，主監控程序自動運行，進入不斷計算和處理的循環中。基本過程為系統上電后，立 即進行初始化；初始化后，調用計算模塊，采用信號處理算法對采樣序列進行處理，計算出 渦街頻率；然后，根據所設定的儀表系數，計算瞬時流量和累積流量；接著進行LCD刷新；接 下來調用系統輸出模塊，根據計算出的瞬時流量，向外發送標準的4 20mA的電流和輸出 流量對應的脈沖；輸出完成后，主監控程序將返回，重新開始進行新的循環。
本發明專利的算法具體流程如圖6所示。當系統初始化完成之后，就進入了計算 模塊。計算模塊中采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。通常我們設置一個幅值的截止值和一個頻率的截止值，即當傳感器 輸出信號經過電荷放大器后的幅值小于這個值時，我們認為這個信號是噪聲；同理，當傳感 器輸出信號的頻率小于截止頻率時，我們也認為這個信號為噪聲。在計算兩個傳感器輸出 信號中幅值譜峰值個數時，若截止幅值設得太高，則可能測不到小流量；若截止幅值設得太 低，則可能會將一些干擾誤認為信號，造成算法選擇失誤。為此，本發明專利不僅設置截止 幅值、截止頻率，還設定動態的幅值閾值。由于渦街流量傳感器輸出頻率與幅值近似于平方 關系，所以，每個頻率所對應的幅值可以推算出來。但是在實際中，幅值跳動比較大。所以，
設定每個頻率所對應的幅值的一半為幅值的閾值，以便能夠檢測到小流量信號，并且可以 排除干擾。 在測量之前，通過正常情況下的標定實驗(無振動噪聲)，根據頻率與幅值之間對 應的數據，用Matlab擬合出頻率與幅值的閾值之間的關系式，如式(1)所示。
Y = AX2+BX+C (1) 式中，系數A、B、C為常量，X為頻率，Y為幅值的閾值。即在測量之前，將系數A、B、 C求出來；同時，確定截止幅值和截止頻率。注意，流量傳感器與振動傳感器均是用式(1)，且幅值的閾值在對應頻率點是相同的。 在測量中，首先要確定流量傳感器輸出信號中存在的不同頻率信號的個數。對于 流量傳感器，根據頻譜分析得到的頻率，通過式(1)計算出相應頻率點處幅值的閾值。然 后，用計算出來的幅值譜的峰值與截止幅值、幅值譜的峰值與幅值的閾值、頻率與截止頻率 相比較，只有當這三者的比較結果同時為大于時，才能算作一個峰值，即才算作存在一個頻 率的信號。當振動強度過大或者流量比較大時，容易使流量傳感器輸出信號幅值飽和。飽和 時，諧波頻率約為基波頻率的3、5、7倍等，諧波幅值最大為基波幅值的1/3、1/5、1/7倍等；
而根據頻率與幅值的閾值的關系式，頻率越高，幅值的閾值越大，而飽和時諧波幅值最大為
基波幅值的1/3，所以，當諧波的幅值小于幅值的閾值時就可以排除諧波的干擾。 其次，要確定振動傳感器輸出信號中存在的不同頻率信號的個數。由于已經對流
量傳感器輸出信號進行了頻譜分析，所以，已經得知了流量傳感器信號中不同頻率信號的
個數，所以，只需要判斷振動傳感器在這些頻率點處是否存在信號。由于振動傳感器也可以
感受到微弱的流量信號，如果只與截止幅值相比較，可能會認為有信號，這可能造成算法選
擇的失誤；但是，設定幅值的閾值后，由于其幅值均小于閾值，就認為沒有信號，這樣就保證
了算法選擇的正確。 因此，設定幅值的閾值不僅可以排除流量傳感器中的干擾，擴大量程比，減小飽和 對算法的影響，而且可以避免振動傳感器將流量信號作為一個振動信號，從而保證了算法 選擇的正確性。 再次，比較流量傳感器和振動傳感器中信號的個數。 當流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數減去振動傳感器的個數大于或等于1 時，認為有流量且其頻率與振動頻率不同，此時，系統切換到頻域相減的方法。兩個傳感器 的幅值譜圖如圖7和圖8所示，其中圖7為流量傳感器的幅值譜，圖8為振動傳感器的幅值 譜。圖中，83. 92Hz為噪聲頻率，79. 35Hz為流量頻率，此時噪聲的幅值已經遠遠大于渦街流 量信號的幅值。頻域相減就是用流量傳感器的幅值減去噪聲傳感器的幅值，最大差值所對 應的頻率就是渦街流量信號的頻率。由于制造工藝和結構的原因，兩個傳感器不可能十分 對稱，若直接相減會存在誤差。為此，系統采用以下方法相減先算出流量傳感器的最大幅 值以及對應的頻率；再算得振動傳感器在該對應頻率點處的幅值；然后，計算出流量傳感 器的最大幅值與振動傳感器在該處的幅值之間的比值，將振動傳感器所有信號的幅值乘以 該比值；最后，計算兩者相減的差值，最大值對應的頻率就是渦街信號的頻率。算法流程如 圖9所示。圖7中噪聲幅值為0. 08133，流量幅值為0. 01225 ;圖8中噪聲幅值為0. 2057， 流量幅值為0. 005988。首先，計算出流量傳感器最大幅值與所對應頻率處振動傳感器幅值 的比值，O. 08133/0. 2057 = 0. 39538 ;然后，將圖8中的噪聲幅值乘以該比值，得0. 08133， 而流量幅值乘以該比值，得0.00236。再將兩個傳感器對應頻率處的幅值相減，結果為噪 聲為O，流量信號為0. 00989，因為0. 00989 > O，所以，選中79. 35為流量信號頻率。
當流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數減去振動傳感器的個數等于0時，兩個 傳感器的幅值譜圖分別如圖IO和圖11所示，其中，圖10為流量傳感器的幅值譜圖，圖11為 振動傳感器的幅值譜圖。此時，無法辨別是否只有噪聲還是流量與噪聲混合。按照要求，當 只有噪聲時，儀表應該輸出0 ;而當流量與噪聲混合時，儀表應該輸出流量頻率。如果采用 頻域相減的方法，無論是只有噪聲還是兩者混合，都輸出79. 35Hz，這就給測量帶來了誤差，即沒有流量時儀表仍然在計數，此時，應切換到計算頻率方差的方法。 方差是一個刻劃取值分散程度的量，方差越小，取值越集中，反之，取值越分散。而 頻率方差是反映頻率分散程度的一個量，由于機械振動噪聲信號是由水泵、閥門、鼓風機等 機械外力引起的，在實際中的頻率基本不變，所以其方差較小，而流量信號與噪聲信號疊加 時，管道內流動介質的紊流、脈動以及流場的不穩定對旋渦發生體施加了不規則的附加作 用，渦街流量信號的實際頻率在理想頻率的左右擺動，而且傳感器輸出信號是流量信號與 噪聲信號共同作用的結果，所以其頻率的取值將會比較分散，方差也會較大。假設不同時刻 的同一個信號的頻率取值為A， f2， . . . ， 4，其均值為f，則方差的計算公式為 根據式(2)計算出頻率方差后，再與頻率方差閾值比較，當小于等于該閾值時，認 為是噪聲；當大于該閾值時，認為是流量信號與噪聲信號疊加。算法流程如圖12所示。頻 率方差閾值是根據現場實驗的數據來確定的。
權利要求
基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，由流量傳感器、振動傳感器、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、單片機系統、脈沖輸出模塊、與外部單片機通信的通信模塊、人機接口模塊、電源模塊、外部看門狗和軟件組成，其特征在于流量傳感器信號和振動傳感器信號分別通過模擬輸入模塊，適當放大，再低通濾波去掉高頻分量后，送入模數轉換器，完成信號的采樣；數字信號處理模塊用算法對采樣的信號進行分析處理，得到流量值；最后，系統將流量測量結果通過電流、脈沖向外發送，或者通過通信模塊將流量信息傳遞給外部單片機。
2. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于軟 件包括主監控模塊、中斷模塊、看門狗模塊、鐵電操作模塊、人機接口模塊、初始化模塊、計 算模塊和輸出模塊，由主監控程序和中斷服務程序統一調用；系統上電后，立即進行初始 化；初始化后，調用計算模塊，采用信號處理算法對采樣序列進行處理，計算出渦街頻率； 然后，根據所設定的儀表系數，計算瞬時流量和累積流量；接著進行液晶顯示器(LCD)刷 新；接下來調用系統輸出模塊，根據計算出的瞬時流量，向外發送標準的4 20mA的電流和 輸出流量對應的脈沖；輸出完成后，主監控程序將返回，重新開始進行新的循環。
3. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于計 算模塊中采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；不僅設置截止幅值、截止頻率，還設定動態的幅值閾值；由于渦街流量傳感器 輸出頻率與幅值近似于平方關系，所以，每個頻率所對應的幅值可以推算出來；但是在實際中，幅值跳動比較大；所以，設定每個頻率所對應的幅值的一半為幅值的閾值，以便能夠檢 測到小流量信號，并且可以排除干擾。
4. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于在 測量之前，通過正常情況下的標定實驗(無振動噪聲)，根據頻率與幅值之間對應的數據， 用Matlab計算軟件擬合出頻率與幅值的閾值之間的關系式，如式(1)所示，Y = AX2+BX+C (1) 式中，系數A、B、C為常量，X為頻率，Y為幅值的閾值。即在測量之前，將系數A、B、C求 出來；同時，確定截止幅值和截止頻率。
5. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于在 測量中，首先要確定流量傳感器輸出信號中存在的不同頻率信號的個數。對于流量傳感器， 根據頻譜分析得到的頻率，通過式(1)計算出相應頻率點處幅值的閾值；然后，用計算出來 的幅值譜的峰值與截止幅值、幅值譜的峰值與幅值的閾值、頻率與截止頻率相比較，只有當 這三者的比較結果同時為大于時，才能算作一個峰值，即才算作存在一個頻率的信號。
6. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于確 定振動傳感器輸出信號中存在的不同頻率信號的個數；只需要判斷振動傳感器在這些頻率 點處是否存在信號；由于振動傳感器也可以感受到微弱的流量信號，如果只與截止幅值相 比較，可能會認為有信號，這可能造成算法選擇的失誤；但是，設定幅值的閾值后，由于其幅 值均小于閾值，就認為沒有信號，這樣就保證了算法選擇的正確。
7. 如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于比 較流量傳感器和振動傳感器中信號的個數；當流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數減去 振動傳感器的個數大于或等于1時，認為有流量且其頻率與振動頻率不同，此時，系統切換到頻域相減的方法。
8.如權利要求1所述的基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，其特征在于當 流量傳感器輸出信號中頻譜峰值的個數減去振動傳感器的個數等于0時，切換到計算頻率 方差的方法；假設不同時刻的同一個信號的頻率取值為4， f2， . . . ， 4，其均值為f，則方差 的計算公式為 <formula>formula see original document page 3</formula>根據式(2)計算出頻率方差后，再與頻率方差閾值比較，當小于等于該閾值時，認為是 噪聲；當大于該閾值時，認為是流量信號與噪聲信號疊加；頻率方差閾值是根據現場實驗 的數據來確定的。
全文摘要
本發明涉及流量檢測領域，為一種以單片機(MCU)為核心、基于雙傳感器的抗強干擾的數字渦街流量計，采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，判斷出流量信息和振動噪聲，提取出流量信息，即使在渦街流量信號能量小于噪聲能量時，仍然能夠得到準確的渦街流量信號頻率，從而排除強噪聲的干擾，確保現場測量精度。
文檔編號G01F1/32GK101701834SQ200910185439
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者劉三山, 康一波, 徐科軍, 徐銀江, 王剛, 石磊, 羅清林 申請人:合肥工業大學;重慶川儀自動化股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
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