（机械电子工程专业论文）嵌入式智能数字涡街流量计的开发.pdf

硕卜学位论文 摘要 摘要 本文讨论的是与长沙矿山研究院自动化仪表厂合作开发的“嵌 入式智能数字涡街流量计”系统。该系统在原有测量精度高、线性 度好、测量范围宽、抗振能力强、可靠性好等优点的基础上进一步 向智能化方向发展，集检测、计算、显示、通信于一体，成为现场 总线的一个节点。 本文首先介绍了课题论文的来源以及涡街流量计的基本工作原 理，以及对系统中仪表常数的数学优化处理方法和自适应陷波滤波 器在系统对频率信号处理上的应用。 突出了以t i ( 德州仪器) 公司推出的超低功耗混合信号微控制 器m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心微处理器的构建。系统捕捉涡街信号并对其 处理，得到包含流量信息的脉冲频率信号，m c u 对这个脉冲信号进 行处理，通过内部程序计算可以得到测量物质的体积流量或质量流 量的瞬时、累积值，并通过点阵式液晶l c d 同时直观地显示出来， 操作人员可以通过按键操作完成密码输入，参数设定，满度设置等 多种不同功能。配合d a 芯片a d 4 2 1 和m o d e m 芯片h t 2 0 1 2 ，系统 与上位机可构成h a r t 总线网络。 文章还详细说明了“嵌入式智能数字涡街流量计”系统的软件 设计过程中的他人可以直接借鉴的编程技巧。就整个“嵌入式智能 数字涡街流量计”的实验做了总结之后，并提出了后续产品进一步 改进的建议。 经实验证明，研发的“嵌入式智能数字涡街流量计”系统测量精 度高、操作方便、工作稳定、运行可靠，具有很大的推广实用价值， 有很大的市场开发潜力。 在论文的最后附录了多份与课题以及硕士学文论文相关的资 料。 关键词：嵌入式，智能，数字，涡街流量计，m s p 硕学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n t m e t e rs h o u l db ea b l et o d e t e c t ，c a l c u l a t e ，d i s p l a ya n d c o m m u n i c a t e ，w i t ht h en e t w o r ks u c ha sh i g ha c c u r a c y , g o o dl i n e a r i t y , w i d e m e a s u r i n gr a n g e ，g o o d a n t i v i b r a t i o na n de x c e l l e n t r e l i a b i l i t y b e s i d e si t so w nb e n e f i t s a c c o r d i n gt ot h i s ，w h a tt h i sp a p e ra r g u e si s e m b e d d e d i n t e l l i g e n td i g i t a lv o r e x s t r e e tf l o w m e t e r s y s t e md e v e l o p e db y u s ，a l o n gw i t ha u t o m a t i o nm e t e rf a c t o r yo fc h a n g s h am i n i n gr e s e a r c h i n s t i t u t e t h ep a p e ri n t r o d u c e sf i r s t l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv o r t e xs t r e e t f l o w m e t e r , s e c o n d l y h o wt o o p t i m i z e a n d a d j u s t t h ei n s t r u m e n t c o e m c i e n tk a n dt h e ni n t r o d u c e sh o wt ou s et h es o f t w a r em e t h o dt o t r a c e t h e 行e q u e n c y o fv o r t e x s i g n a lb y t h e a d a p t i v e n o t c hf i l t e r a l g o r i t h m t h e s y s t e m o fe m b e d d e d i n t e l l i g e n td i g i t a lv o r t e xs t r e e tf l o w m e t e r i s d e v e l o p e d o nt h eb a s eo fu l t r a l o w - p o w e rc o n s u m p t i o nm i x e ds i g n a l m i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9 ，w h i c hi s p r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mc a p t u r e st h es i g n a lo fv o r t e xs t r e e ta n dw o r k so u t i n s t a n t a n e o u sv o l u m e t r i cf l o w , c u m u l a t i v ev o l u m e t r i cf l o w , i n s t a n t a n e o u s m o l a rf l o wa n dc u m u l a t i v em o l a rf l o wi n s i d e t h ep a r a m e t e r so f i n s t a n t a n e o u sm o l a rf l o wa n dc u m u l m i v em o l a rf l o wc a l lb ed i s p l a y e do n l c da tt h es a m et i m e f o u rk e y sa r eu s e dt os w i t c hc o n t e n to fd i s p l a y a n ds e t p a r a m e t e r s ，f o ri n s t a n c e ，p a s s w o r d ，a n dm a n yo t h e r d i f f e r e n t p a r a m e t e r s w i t h d a c h i pa d 4 2 1a n d m o d e m c h i ph t 2 0 1 2 ，t h es y s t e m c a l lc o n s t r u c th a r tf i e l d b u sn e t w o r kw i t h u p p e rc o m p u t e r s o nt h eb a s eo f a n a l y z i n g t h eo p e r a t i o no f t h es y s t e m ，e v e r yf u n c t i o n m o d u l eo fs o f t w a r ei sp r o g r a m m e d a tl a s t ，t h ep a p e rd r a w sac o n c l u s i o n a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t so ft h es y s t e m o fe m b e d d e di n t e l l i g e n t d i g i t a lv o r t e xs t r e e tf l o w m e t e r as u g g e s t i o ni sp u tf o r w a r d a b o u tal o n g t e r m d e v e l o p i n gp r o d u c t e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mo fe m b e d d e di n t e l l i g e n t d i g i t a l v o r t e xs t r e e tf l o w m e t e rw ed e v e l o p e df e a t u r e sh i g hm e a s u r i n g a c c u r a c y , e a s eo p e r a t i o n a n dg o o dr e l i a b i l i t y t h e r ei sag r e a tm a r k e t 硕十学位论文 a b s t r a c t p o t e n t i a li fp u ti n t op r o d u c t i o n f o rm o r e i n f o r m a t i o n ，g ot ot h e e n d o f t h ep a p e r k e yw o r d s ： e m b e d d e d ，i n t e l l i g e n t ，d i g i t a l ，v o r t e x s t r e e t f l o w m e t e r , m s p l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：日期：兰! 生年土月_ l 日+ 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢盘生新签名塑巫嗍型年土月上日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章从涡街流量计的工作特性入手，介绍了目前国内外涡街流量计的发展和 应用情况，较为详细地介绍了涡街流量计的测量精度和适用情况。通过介绍涡街 流量计的通用局限性阐述了本课题“嵌入式智能数字涡街流量计的开发”的 来源和具体开发目标。在本章的晟后，简要介绍了全文的章节结构和各章的基本 内容。 1 1 涡街流量计简介 1 1 1 概述 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速 ( 流量) 有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目 前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋迸( 旋涡进动) 流量计和射流流量计。 流体振动流量计具有以下一些特点： ( 1 ) 输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、 密度、压力、温度的影响； ( 2 ) 测量范围宽，一般范围度可达1 0 ：1 以上； ( 3 ) 测量精确度为中上水平，可达1 ； ( 4 ) 内部无机械可动部件，可靠性高； ( 5 ) 结构简单牢固，安装方便，维护费较低； ( 6 ) 应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸汽。 本文将结合研究课题“嵌入式智能数字涡截流量计的设计开发”主要介绍涡 街流量计。 涡街流量计是2 0 世纪6 0 年代末期发展起来的一种基于流体振动原理的流量 计。近3 0 年的工业应用证明了涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性， 它不仅具有了流体振动流量计的共同优点还包括了其自身特有的特点。1 ： ( 1 ) 由于旋涡频率与流体流速成线性的单值函数关系，若流量计的阻挡体几何 尺寸不变，当流体流动状态雷诺系数r 。，r 。大于临界雷诺系数的条件，旋涡频 率与介质重度等物理参数无关，这就使得涡街流量计能广泛地应用于不同流体流 硕十学位论文 第一章绪论 量的测量上，在其仪表常数不变的情况下测量精度不变。 ( 2 ) 涡街流量计原理基于卡门涡街定律，频率的测量易于实现数字化与智能 化，使得测量精度大大的提高。涡街流量计的重复性误差 2 ，非线性误差 l ， 如果我们用智能化二次仪表可将非线性误差大大减少，能满足于 2 x1 0 4 时，在理论上， 1 0 硕： ：学位论文 第二章系统概述 仪表系数k 是一个仅由仪表几何结构、尺寸所决定的常数，不受流体稳定、压 力、密度、粘度、成分等性质变化的影响，对于各种液体、气体、蒸汽都有相同 的数值。所以，理论上仪表的标定结果具有通用性。但是作为流量计在物料平衡 及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流 体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。 2 1 2 影响仪表常数k 的因素 从以上的讨论中可以知道：仪表系数世是一个非常重要的参数，涡街流量 计测量流量值完全依赖它，一旦k 值确定下来，测量精度就与之密切相关。传 统的模拟仪表无法现场调整仪表系数，现场显示的模拟表头无法得到对应的瞬时 流量值，使用很不方便。在本课题中将解决这个问题，现场就能修改仪表系数， 而且，能同时显示瞬时流量和累积流量，针对被测流体的性质不同，选择显示体 积流量和质量流量。 仪表系数k 受到以下几个因素的影响“”“”1 ： ( 1 ) 流速和粘度的变化：工业管道中绝大多数流体的r 。均大于2x1 0 4 ，但是 如果由于某种原因使流体流速v 降低或运动粘度y 升高，都会导致足下降。当足 值低于2x1 0 4 时，k 值发生较大的变化，出现非线性误差。这可在仪表选型上 通过选用较小的管径提高流速以提高r ，来解决。 ( 2 ) 堆积：如果被测流体中存在粘性颗粒物质或夹杂较多纤维状物质，则可能 会逐渐堆积在旋涡发生体上，使其几何尺寸发生变化，因而仪表系数k 也随之 变化，旋涡的形成将受到影响，产生测量误差。为减少这个误差，在条件允许的 情况下，可定期清除堆积在旋涡发生体上的堆积物，或者对被测流体进行预处理。 ( 3 ) 磨损：如果三角柱发生体两棱边因某种被测流体作用而受到磨损，同样会 使仪表系数k 发生变化，在某些场合，可以通过选择合适的柱体材质使这一误 差减至最小。 ( 4 ) 温度变化：仪表系数足通常是在常温( 约2 0 ) 下标定的，如果被测流体 的温度较高或较低，与常温相差较大，由于热胀冷缩会使仪表体和旋涡发生体的 几何尺寸发生变化，造成流通面积变化而引起附加误差，因此仪表系数k 必须 进行补偿校正。在软件中按照公式： c , = 世f i 一口1 0 5 p 一2 0 ) 】 ( 2 7 ) 对仪表系数进行修正有时是必要的。 ( 5 ) 配管内径：安装流量仪表的配管内径一般应等于或略大于流量仪表的内 径。如果配管的实际内径略小于流量仪表内( 3 以内) ，虽然不会对仪表本身所 颂十学何论文 第一章系统概述 围有的k 值造成影响，但却因流通面积突变引起表观流速变化而可能产生附加 测量误差，这可通过修j 下系数如来补偿，修正系数的表达式为：巴= ( 鲁) 2 ， d ，为仪表的实际内径；皿为配管实际内径。经过修l f 后的仪表系数k 为： k n = k ( 2 - 8 ) 2 2 涡街流量计结构 涡街流量计由传感器和转换器两部分组成，如图2 3 和2 4 所示。传感器包 括旋涡发生体( 阻流体) 、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤 波整形电路、d a 转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。 2 ，2 1 旋涡发生体 旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性( 仪表系数、线性度、 范围度等) 和阻力特性( 压力损失) 密切相关，对它的要求如下： ( 1 ) 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离； ( 2 ) 在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈数； 图2 - 3 涡街流量计外观图 ( 3 ) 能产生强烈的涡街，信号的信噪比高； ( 4 ) 形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装 组合； ( 5 ) 材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化； ( 6 ) 固有频率在涡街信号的频带外； 1 2 旦生羔些墨 笙兰主墨竺塑笙 ( 7 ) 已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生 jj 愀生俸l 论瓣s罔 |峒1r o |j u 。 因隆 网 氏 一魁i l ，一l _ 一l 旷苹r 鼍r i 图2 - 4 涡街流量计内部结构示意图 体两类。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基 本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种。为提高涡街强度和稳定 性，可采用多旋涡发生体。 2 2 2 检测元件 在旋涡发生体后部安放压电传感器，检测旋涡列的产生频率。 压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，即当有一力作用在压电 材料上时，传感器就有电荷( 或电压) 输出，因此从它可测的基本参数来讲是一 个力传感器，需要通过别的检测电路变换为所需要的信号。 由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即 需要测量电路回路具有无限大的输入阻抗。这实际上是不可能的。因此压电传感 器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷得以不断补充，可以供 给测量回路以一定的电流，故适宜动态测量。卡门涡街产生的旋涡正好是交变脉 动的，适合用压电传感器。 压屯材料分为压电晶体与压电陶瓷两大类。前者是单晶体后者为多晶体。涡街流量计 中广泛采用的压电材料多为压电晶体。 硕十学位论文 第一二章系统概述 2 2 3 转换器 转换器把压电传感器产生的电荷信号经过放大、滤波、整形后得到边缘陡峭 的脉冲，微处理器对脉冲计数，以此为基础计算出流体的流量。通过d a 转换 器，微处理器将计算出的瞬时体积流量变换成4 2 0 m a 电流输出至电流环路中， 便上位机进一步对其进行处理，通过h a r t 总线接口，可以与上位机交换更多 的信息，实现信息集成。按键和显示模块可实现就地参数修改和就地显示。 硕士学位论文 第三章算法介绑 第三章算法介绍 3 1 仪表常数的优化 流速计法是点流速计型插入式流量计的主要标定方法，即把流量计的测量头 当作是一台流速计来标定。首先测得测量头的仪表常数k ，然后根据使用现场的 流体及管道条件确定修正系数，再由管道横截面面积推算出整台流量计的仪表常 数k 。流速计法的标准标定装置液体采用直线明槽，气体采用低速风洞“。 3 。1 ，1仪表常数的通用计算修正法 点流速计型插入式流量计的仪表常数足是由标定出的测量头的仪表常数凰 经修正计算得来。仪表常数k 的计算修正公式为： 世：当 a 。y a ( 3 - 1 ) 式中：懿为测量头的仪表常数，1 m 3 ；口为速度分布系数；卢为阻塞系数：y 为 干扰系数；彳为测量管道的横截面面积，m 2 。 3 1 1 1 速度分布系数d 的计算 速度分布系数的定义：管道平均流速与测量头所处位置局部流速的比值。 ( 1 ) 测量头插于管道轴线处 口2 砑r 一 1 。南 l g ( o 2 7 0 3 + 苦) ( 3 - 2 ) 式中：口为速度分布系数；尺。，为管道雷诺系数；d 为测量管道内径，m m ；a 为 管道内壁突出物的平均高度，t i m 。 ( 2 ) 测量头插于管道平均流速处 a = 1 ( 3 - 3 ) 3 1 1 2 阻塞系数的计算 阻塞系数的定义：修i ee h 于插入杆、插入机构以及测量头引起的管道流通面 积减小及速度分布畸变所产生影响的系数。 硕f ：学位论文第三章算法介纠 ( 1 ) 阻塞率s 的计算 测量头插于管道轴线处： 测量头插于管道h 深度处 s = ! d2 + 皇f d 42 、 r e d 2 4 ( 3 4 ) 三d2 + h b s ： ( 3 5 ) ，吐) 4 式中：s 为阻塞率；6 为插入杆的直径，矾聊：d 为测量头直径，d 为测量管道内 径，y a m ；h 为测量头的插头深度，m m 。 ( 2 ) 阻塞系数口的计算 当s 0 0 1 d 或表面凹陷，使测量软尺不能贴紧管道表面时，不能采用此法。 3 1 1 4 干扰系数y 的确定 干扰系数 ，的定义：流量计所处管段前后阻流件之间直管段长度不足所引起 的仪表常数变化的修正系数。干扰系数是非充分发展管流的修正系数，目前还缺 1 6 型型兰型塑! ：l 笙三兰堡鲨坌型 乏成熟的试验数据，一般可在现场直接标定确定。 3 ，1 ，2 仪表常数的简便近似计算修正 在仪器的使用现场各种情况非常复杂，些需测的数据难以得到，研发的数 字式智能涡街流量计可由现场操作人员现场设定仪表常数k 。因此根据合作方所 提供的经验数据，在课题研究中总结了仪表常数的简便近似计算修正法。 3 ，1 2 1 速度分布系数口的查表法 因速度分布系数是管道平均流速与测量头所处位鼍局部流速的比值，而实际 大多数测量头是捶在管道轴线上，即最大流速点。根据工艺管道中介质流动参数 计算出的相应雷诺系数r 。可知，绝大多数工业生产过程中介质的流动状态为紊 流。由流体力学理论知识知，当管道中介质的流动为紊流状态时，距管道中心轴 线为y 。处的流速v 。为： 驴v 。( 1 - 铲 ( 3 - 8 ) 式中开的大小随雷诺系数r 。的变化而变化，根据尼库拉兹( n i k u r a d s e ) 的测 量结果制成的表如表3 - l 所示。 雷诺系数r 。d 朋 雷诺系数r m n 2 5 6 1 0 4 7 o 6 4 0 i 矿 8 8 1 0 5 4 1 0 4 7 3 7 0 0 1 0 4 9 0 2 0 ，5 6 1 0 4 8 o 8 4 4 lo | 9 2 3 2 ，0 x1 0 4 8 3 1 1 0 0 【0 9 4 3 8 4 1 0 4 8 5 1 5 2 0 1 0 4 9 7 3 9 ，5 6 1 0 4 8 5 1 9 8 0 1 0 4 9s 4 2 ，8 1 0 4 8 6 2 3 5 2 1 0 4 9 s 5 3 6 1 0 4 8 8 2 7 8 0 1 0 4 9 ，9 5 7 ，2 x 1 0 4 8 8 3 0 7 0 x1 0 4 9 9 因为管道中介质的体积流量q v 是测量管道的横截面面积4 与介质的平均流 速矿的乘积，所以 百：坐：地( 3 - 9 ) 4彳 1 7 硕十学位论文 第二章算法介绍 式( 3 - 8 ) 代入式( 3 - 9 ) 得： i 2 n v 。7 ，d r ， 脯2 ( 3 - 1 0 ) = 可2 7 r p m a xf ( 1 一2 l 儿咖， 式中：r 为测量管道的半径，m 。由式( 3 1 0 ) 求出，当 分别为7 ，8 ，9 ，1 0 h , j 的可的值，见表3 2 所示。 表3 - 2 紊流时的圆形管路内的平均流速i 船7891 0 v 9 81 2 81 6 22 0 0 面”m “1 5 3 ”n 丽。一2 3 1 。i t i a x 0 8 1 6 v 。 z o 8 3 6 v 。o 8 5 2 v 。o 8 6 5 v 。 综上所述，计算出相应的雷诺系数月。后，先可通过查表3 1 得出最接近的 值，再通过查表3 - 2 ，并用内插法求出矿与k 的比值，即所要求的口值。 3 1 2 2 阻塞系数口的近似计算 很多流量计厂家往往采用给出的简化公式： 纠一等 ( 3 - 式中：b 为插入杆的直径，m m ；d 为测量管道内径，m m 。 3 1 3 介质温度变化的影响 插入式流量计测量头的仪表常数瓦通常是在常温( 2 0 左右) 下标定的， 如果被测介质温度较高( 如测量饱和蒸汽) 或较低，与常温相差较大，由于热胀 冷缩会使测量头和插入杆以及插入机构的几何尺寸发生变化，造成流通面积变化 而引起阻塞系数芦的附加误差，因此根据固体热膨胀定律可得修正系数k ，的表 达式： k ，= 1 一占1 0 。5 0 一2 0 ) ( 3 1 2 ) 式中：t 为被测流体的实际温度，；占为测量头和插入杆以及插入机构材质对 应的系数，当为不锈钢、铸铁时j = 4 8 8 ：为哈氏合金钢c ：时占= 3 4 0 ；为钛时 占= 2 6 2 。 修正后的仪表常数为： 硕十学位论文第三章算法介绍 k2krko(3-13) = k o 1 一万1 0 。o 一2 0 ) 】 计算表明实际使用时，当流体温度高于1 0 0 。c 或低于1 0 06 c 时，有必要进行 此项修正。 3 2 数字自适应陷波滤波器算法推导 从理论上建立一种能无偏的和准确的估计信号频率的陷波滤波器模型，然后 分析它的线增强和频率跟踪能力。 假设t 时刻输入的暂态信号 由下式表示： y ，= z ，+ ， ( 3 1 4 ) 一代表力个正弦信号，吩代表附加的噪声。 假设噪声有平滑的频谱并且独立于信号，令s 。( 印) ，s ，( ) ，s 。 ) 分别表 示y ，x ，n ，的功率谱( 能量谱) ，有： s y ( ) = s x ( 国) + s 。( 6 口) 2 n s ，( 棚) = 盯? 艿( 棚一丘i ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 砰是频率，处正弦波信号的能量，巧( ) 表示狄拉克函数，即单位数字冲激 函数。 当输入y ，通过数字滤波器日( z ；臼) ，输出的能量j 为： ，= 去驴( p j 。和( 州 ( 3 1 7 ) 0 是滤波器的参数向量， 0 = h ，d 2 ，乜r h ( e j 。；护) = 1 + c l l e 一。+ + 口。p 一删 将式( 3 1 5 ) 和( 3 1 6 ) 代入式( 3 - 1 7 ) ，得 j = 去蹦圳日( ) 1 2 如+ 军2 n 剖0 2 日( 扩) 1 2 1 9 ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 硕士学何论文 第三章算法介纠 2 m ( 口) + 三( 口) ( 3 _ 2 0 ) m ( 臼) = 寺i ：r 瓯( 由) l h ( e j o y ) 1 d 埘 w ) = 荤荨h ( e j 。) i 2 三( 口) = 剽) i 2 要使，最小，在理想的情况下，只有上( 口) 单独最小，滤波器在正弦波频率处 的响应为零，从而产生无偏估计，但这种情况只有在没有噪声的情况下才会发生。 因为在有噪声的情况下，p ) 跟口有关而且正比于噪声能量。所以一种简 化方法是使m ( 口) 为常数而与0 无关。 在使用涡街流量计的时候，由于受测量流体紊流状态下速度脉动变化的影响 以及工业现场测量中管道随机振动等多种因素的影响，漩涡频率变送器的输出信 号不是理想的正弦波信号，而是一个混合信号形式，即： y ( f ) = s ( f ) + n ( t ) ( 3 - 2 1 ) 其中s ( t ) 为一+ 低频正弦信号，珂( ，) 代表速度脉动变化以及管道振动的噪声信号与 非单相流动出现的冲击现象有关的脉动干扰。 3 2 1 典型陷波滤波器 我们知道，最典型的滤波器是陷波滤波器( n o t c h f i l t e r ) 中的固定陷波滤波 器( f i x e dn o t c hf i l t e r ) ，其理想特性是在某一正弦波频率处增益为0 之外，其它 频率时的增益都为1 ，也就是说除了在陷波频率处以外滤波器都有平直的能量 谱，即滤波器在其他的地方的传递函数为1 ，理想的滤波器( 零带宽) 频域特性 可以如下给出： 缈；舻 蕊苦声2 ” 俘z 频谱图如图3 - 1 所示： 图3 1 理想固定滤波器频谱图 硕士学位论文 第三章算法介纠 代入式( 3 - 2 0 ) 得 所以 ，= 去n ( ) 眇。) j2 d c o + 军2 n 剖o - j2 徘1 j 2 去驰，如+ 荤翕删l 2 = m + l ( a ) m i n 。j = m + m i n 。l = m ( 3 - 2 3 ) ( 3 2 4 ) 分析表明传递函数h ( e 一) 在频率为q 国，国，。时陷下，最小，确保对正 弦波频率的无偏估计，但这只是理想的陷波滤波器。陷波滤波器越陡，陷波频率 就越准确。虽然m ( 口) 接近为常数，但是当输入信号带宽越大，m ( 口) 越大，因 此0 的估计对有色噪声频谱的形状很敏感。 回顾起来，陷波滤波器可从本质上消除正弦信号，因此是针对这一问题的无 约束的最优滤波器。当增大滤波器的阶数，由f i r 模型的自适应线增强器和 a r m a l e 模型同样可推导出这种带阻结构。不同之处在于参数向量( 秽) ，不同的参 数向量有不同的优点和缺点。关键是要选取合适的参数向量设计出最优的带阻滤 波器。 3 2 2 模型设计和算法推导 根据流量频率信号和噪声信号的特点，在本课题中提出了利用理想自适应陷 波滤波器的特殊结构的递推参数估计算法m 川嘲。 一个具有希望特性的陷波滤波器，它的传递函数h ( z 。) 的零点将位于单位 圆上，因此一个满足这一特性的代数式的必要条件是：该代数式的系数具有镜式 对称形式( m o n i c ) ，如式( 3 - 2 5 ) ： a ( z 一1 ) = l + 口l z 一1 + + 口。z 一“+ - - + 口l ：- 2 肿+ 三- 2 “ ( 3 - 2 5 ) 式( 3 2 5 ) 中a ( z 一1 ) 的镜象对称形式不能充分的保证日0 - 1 ) 的零点在单位圆上， 实际上它只能保证：假如：。是日( z 一1 ) 的零点，那么也在单位圆上，然而为了 使方差函数最小，收敛的滤波器必须将零点设置在单位圆上。采用镜象对称多项 式，再加上附加的零极点对的限制，使陷波滤波器的传递函数的参数只有直接的 ：2 1 硕十学位论文 第三章算法介纠 i i r 滤波器一半，成为所有滤波器中参数最少的子集。 同时陷波滤波器要求，其极点是和零点在同一半径轴线上，但是稍微离开单 位圆( 朝向原点) 一点点，如图3 2 中所示。 虚轴 单位囝厂 彳省三收 ， 1 图3 2 陷波滤波器的零极点示意图 图3 - 3 自适应陷波滤波器实现方案框图 由此如图3 - 3 所示建立传递函数： 日z - ，= 篙= 1 + 口l z 一1 + + d z 一“+ - + 口i z _ 2 “+ z 一2 “ 1 + p a l ：一1 + - - + p ”n z 一”+ + p 2 ”口l z 一2 ”+ 1 + p 2 “z 一2 ” 0 墨p 图3 - 4 自适应陷波滤波器的滤波效果图( 一) 在图3 - 5 中，周期性干扰含有两个谐波，频率分别为2 5 0 址b 和5 0 0 k h z ，此时 硕十学位论文第三章算法介纠 自适应陷波滤波器的输入信噪比i s n r = 1 ：4 4 ，输出信噪比o s n r = 2 5 ：1 ，信噪 改善比s n r = 1 1 0 ：1 。 武- ) ，l _ ) 图3 - 5 自适应陷波滤波器的滤波效果图( 二) 图3 - 6 是模拟信号为经2 朋瑟带宽的信号和采样频率为2 5 k h z 数据采集系统 采集的现场一个周波信号。信号经自适应陷波滤波器处理后，由如图3 7 所示的 示波器显示出来，通过自适应陷波滤波器处理以后的信噪改善比约为4 0 。 幢瞧 图3 - 62 m h z 带宽妁信号和采样频率为2 5 k h z 数据采集系统采集的模拟信号 幅值 - “i 虹l l 。h - l 山i u 1 1 u 1 l i i - l - j 町1 t 一_ 。1 1 - 一7 下w r ，1 一1 。1 _ 嗍 图3 - 7 图3 - 6 中信号经自适应陷波滤波器处理后的效果图 一3 0 入瓣号 簿巍慝信千惯 塑：兰兰垡丝苎 蔓三至篁堡垒塑 图。3 - 8 模拟随机干扰信号经自适应陷波滤波器处理后的效果图 由模拟实验和现场测试结果分析表明，本文提出的自适应陷波滤波器算法在 热制和消除在涡街流量检测中由于其它因素造成的随机干扰中具有下列特点：( 1 ) 迭代步骤较为简单。( 2 ) 白适应陷波滤波器算法能较为有效的抑制涡街流量检测 中的干扰信号。( 3 ) 自适应陷波滤波器滤波效果与参数初始值设定有关。( 4 ) 对信 号的前几点数据的滤波效果较差，即存在延时效应，延时长短与采样频率有关， 采样频率越高，延时越短。 3 3 流量参数的处理方法 33 1 温压补偿处理 在涡街流量计检测过程中对于液体和温度、压力稳定不变的气体来说，p 也 可以看作常数：而对于温度、压力变化较大的气体来说，p 变化较大。在计量工 作中，所测流量应是标准状态( 压力为1 个标准大气压，温度为o ) 下的气体 流量。在设计过程中，用户提供给制造厂家的是理想工艺状态下的压力和温度( 即 设计压力和设计温度) ，厂家提供给用户的节流装置两端差压所对应流量是按设 计状态换算成标准状态的流量。因此，当温度、压力偏离设计值时，需进行修正， 即进行温压补偿。温压补偿的流量计算公式为： 畔厝焉孓 ( 3 5 2 ) 式中：p 为实际压力；p 。为设计压力；t 为实际温度；r 。为设计温度：p 。为 标准大气压( 1 0 1 3 x 1 0 5 p a ) ；t 。为标准状态温度( 即2 7 3 1 5 k ) 。可以看出，当被 测气体的实际温度和压力与设计温度和压力相同时，有 f ( p + p o ) o 。+ t o ) 叮( p 。+ p o ) p + 岛) ( 3 5 3 ) 硕j ：学位论文 第三章算法介纠 能得到无温压补偿时的实际应用公式为： q = k 画 ( 3 5 4 ) 而有温压补偿时的流量就可看成是无温压补偿时的流量乘以可变系数口： 3 3 2 归一化处理 口= 腼可丽而 ( p 。+ p o ) ( f + “) ( 3 5 5 ) 因为有温压补偿的流量只是无温压补偿时的流量乘以可变系数口，因此本文 中主要讨论针对无温压补偿的流量编程计算方法。无温压补偿时的流量计算公式 为q = k 卸，在编程时可以直接采用。但需要计算世值，对于一个流量计算来 说，计算彭值并不麻烦，只要知道孔板设计的最大差压和所对应最大流量即可。 但是在某些特定的系统中，有时需要对多个流量参数进行计算，而且为了产品的 通用化需要在计算任意一个足值，都保证一定的精度。因此，在编程时流量计算 需要采用了数值归一化方法。对式( 3 - 5 5 ) 来说，所有卸都按照此公式对应一 个q 值，因此存在： q 。= k 4 a p 。， 而k 值可以通过最大差压卸。对应的最大流量值q 一来计算，即 k ：一! 些 ( 3 5 6 ) p 。甜 那么，对于任意差压值来说，流量计算公式就可变为 r t - - q ：q 一，：4 ：a ：p 。 印。 整理后得到： 。_ 。一 旦：f 坠( 3 5 7 ) q 。z 妒。 从式( 3 5 7 ) 可以看出，对差压值和其对应流量值都进行归一化后，二者的关 系就变得更加简单明了了，即归一化后的差压值的平方根等于归一化后的流量 值。因此可以很方便地利用归一化方法，即将差压信号的输入处理功能块的工艺 测量范围定义为o 1 ，然后直接对其进行开平方处理就得到对应的归一化流量 值。要得到真正的流量值，只要对将流量最大值乘以该归一化流量值即可，即： g 。q 。 ( 3 5 8 ) 互虬 ，y 硕十学位论文 第三章算法介缁 o i ，7 i s ! 41 3l 扛 图3 - 10 后向逼近过程示意图 这种等分逼近法适用于特性曲线曲率变化不大的场合。如表3 3 所示给出了 铂电阻p t l 0 0 在0 4 0 0 。c ，分段精度为o 0 5 。c 的处理结果。曲线被等分成6 段 表3 - 3 等分法非线性预处理结果( p t l 0 0 ) 序号偏差 折点t ，( 阻值r 。)斜率a ， 截距b 、偏差点t 。 rf o 0 o o ( 1 0 0 0 4 6 0 ) 0 0 0 0 0 0 e + 0 0n 0 0 0 0 0 e + 0 00 o o0 0 0 0 0 1 3 3 3 3 ( 11 3 2 2 9 1 ) 3 9 5 4 3 3 e 一0 l1 0 0 0 4 8 e + 0 21 6 7 40 0 4 2 6 2 6 6 6 7 ( 1 2 6 2 7 5 3 ) 3 9 1 3 8 7 e - 0 11 0 1 1 8 3 e + 0 25 0 2 20 0 4 3 l 3 1 0 0 0 0 ( 1 3 9 1 8 6 7 ) 3 8 7 3 4 0 e 一0 l1 0 0 4 5 3 e + 0 28 1 9 60 0 4 3 2 4 1 3 3 3 3 ( 1 5 1 9 6 3 2 ) 3 8 3 2 9 4 e 0 11 0 0 8 5 7 e + 0 21 1 6 8 80 0 4 4 0 5 1 6 6 6 7 ( 1 6 4 6 0 4 7 ) 3 7 9 2 4 8 e 一0 11 0 1 3 9 7 e + 0 21 4 8 6 30 0 4 4 2 6 2 0 0 o o ( 1 7 7 1 1 1 4 ) 3 7 5 2 0 1 e 0 11 0 2 0 7 l e + 0 21 8 4 2 60 0 4 4 8 其中斜率日，截距6 ，以及等分点f ，对应的电阻值r ，是智能仪表校正非线性的必要 数据。表中也给出了每一直线段的最大拟合误差缸以及对应的温度值t ，。 3 4 3 前向逼近法 若曲线曲率起伏大，测量精度高，相当善值较小时，如仍采用后向逼近法， 误差分配会很不均匀，如表3 - 4 所示，热电偶s 在0 1 0 0 0 c 内分段精度为1 的处理结果。每段误差大小不一，分配很不合理。适合采用非等分发，过程如图 3 1 1 所示，即从测量起点起以足够小的步距向前试探。 程序从f 开始，以出步距开始搜索，在 、t 。+ a t 两点上建立直线方程，若 厂( z ) 与直线方程的误差小于孝，则再建立 、t ，+ 2 r 两点的直线方程，再次判 断误差的大小，直至m 次后，程序判断误差大于毒，则取前一个试探点( m 一1 ) 为第一分段点 。接着从t ，点开始重新前面的探索过程，分别确定t 3 ，t 。，直至 r 。分段点。这是一种最优搜索方法。每直线段与曲线的最大误差( 除最后一段 l 一r a l _ 4 m ，、，一、，q n 图3 - 1 1 前向逼近过程示意图 笪生：! 丝笙茎 笺三主基鎏坌型 表3 4 等分法非线性预处理结果( s ) 序号 偏差 折点t ，( 热电势e ) 斜率。，截距b ，偏差点f ， z f 1 4 5 4 5 ( o 2 6 9 3 )5 9 2 4 8 6 e 0 3 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 n 9 只 一0 9 6 7 1 2 9 0 9 1 ( o 5 7 9 3 )6 8 1 9 3 7 e 0 3- 4 0 6 5 9 8 e - 0 20 6 7 7 4 0 6 5 6 6 3 1 3 6 3 6 ( o 9 2 l o )7 5 1 8 3 2 e 0 3- 1 0 4 2 0 0 e 一0 l 1 1 3 1 90 4 6 5 5 4 1 8 1 8 2 ( 1 2 8 7 6 ) 8 0 6 5 4 1 e 一0 3- 1 7 8 8 0 4 e 一0 1 1 5 8 6 50 3 4 0 3 1 88 1 8 1 8 ( 7 5 4 3 0 )1 0 8 5 5 2 e - 0 2 一1 3 3 8 5 1 e + 0 07 9 5 2 90 0 7 8 3 1 9 8 6 3 6 4 ( 8 0 4 3 2 )1 1 0 0 4 8 e 0 2一1 4 6 0 8 9 e + 0 08 4 0 6 10 0 7 7 2 2 09 0 9 0 9 ( 8 5 3 0 3 ) 1 11 5 4 4 e 0 2一1 5 9 0 0 8 e + 0 08 8 6 6 60 0 7 6 2 2 l9 5 4 5 5 ( 9 0 6 4 1 )1 1 3 0 1 0 e 0 2 - 1 7 2 6 0 7 e + 0 09 3 1 5 2- 0 0 7 5 2 2 2 1 0 0 0 0 0 ( 9 5 8 4 7 )1 1 4 5 3 5 e - 0 2- 1 8 6 8 8 4 e + 0 09 7 7 1 10 0 7 4 2 外) 都基本相等，分段数明显减小，表3 5 给出的是和表3 -