（检测技术与自动化装置专业论文）基于智能时域分析的涡街流量信号处理方法研究.pdf

二海大学硕士学位论文 摘要 涡街流量计信号处理方法的技术难点之一是提高低流速时流量信号的测量 精度。本文根据实际涡街信号幅值随流速变化的特点，以实时信号的波形分析 为基础，提出了一种基于时域的智能分析算法，并对算法的性能和具体的实现 技术进行了探讨。 论文首先讨论了国内外涡街信号处理方法的发展状况，并通过m a t l a b 仿真 提出了其中一些方法存在的问题。 论文接着介绍了基于l a b w i n d o w c v i 的涡街流量信号采集系统以及基于 p c 声卡发生器的信号测试平台，为涡街信号的采集、分析与测试提供了便利可 靠的环境。 根据涡街流量信号的特点，论文探讨了涡街信号时域分析方法的可行性并 介绍了信号时域分析的常用方法。l u o b 涡街流量计的测试数据为阈值跟踪方 法提供了可靠依据。通过基于信号整流的闽值自适应算法、信号波形分析法、 阈值脉宽估计法的探索，本文提出了一袖基于智能时域分析的涡街流量信号处 理算法。该方法以时域波形分析理论为依据，由微处理器动态智能地进行闽值 跟踪和频率估算，在方法上满足了实时性要求下的低流速涡街信号的测量问题。 本文最后给出了以单片机up s d 3 2 5 1 为核心的智能时域算法的软件和硬件 实现方案以及测试结果，并对整个系统的低频测量性能和阈值跟踪能力进行了 分析，为基于智能时域分析的涡街流量信号处理方法的应用打下了基础。 关键词：涡街流量计时域分析阈值自适应 一 一 ! 塑查兰堡堂篁鲨苎 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e a lv o r t e xs i g n a l ，am e t h o do fi n t e l l i g e n t a r i t h m e t i co nt h eb a s i so ft i m ed o m a i na n a l y s i si sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h e p e r f o r m a n c ea n dr e a l i z a t i o no ft h em e t h o da r ed i s c u s s e dt op r o v ei t sa d v a n t a g eo f p r o m o t i n gt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na tl o wf l o wr a t eo nl i n e f i r s t l y , s t u d i e sa n dr e s e a r c h e s o nt r a d i t i o n a lm e t h o d so fv o r t e x s i g n a l p r o c e s s i n ga r ei n t r o d u c e di n c l u d i n gf f ts p e c t r u ma n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r ma n d e t c ，o fw h i c ht h ed i s a d v a n t a g e sa r ed i s c o v e r e db ys i m u l a t i o no nm a t l a b t h e n ，t h es i g n a la c q u i s i t i o ne q u i p m e n to nl a b w i n d o w s c v la n dt h es i g n a lt e s t p l a t f o r m0 1 3 p cs o u n dc a r da r ed e s i g n e dt op r o v i d em o r er e l i a b l ea n dc o n v e n i e n t f a c i l i t i e sf o rf u r t h e rr e s e a r c h b ya n a l y z i n gt h e d a t aa c q u i r e df r o ml u g bv o r t e xf l o w m e t e r , t h ep a p e r d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo ft i m ed o m a i na r i t h m e t i ca n dg i v e sar e f e r e n c et os o m e u s u a lm e t h o d so ft i m ed o m a i na n a l y s i s t h r e s h o l de s t i m a t i o na l g o r i t h mi st h ek e y p o i n tt od e t e c tt h ev o r t e xs i g n a li nl o wf r e q u e n c y a d a p t i v et h r e s h o l dm e t h o d sb a s e d o nr e c t i f i e rc i r c u i t ，w a v e f o r ma n a l y s i sa n dp u l s ew i d t ha r et e s t e d ，s i m u l a t e da n d c o m p a r e d a sar e s u l t ，a ni n t e l l i g e n tt i m ed o m a i nm e t h o di ss u m m a r i z e d i nt h el i g h t o ft h i si d e a ，t h et h r e s h o l dt r a c k i n gt h er e a lv o r t e xs i g n a li sd y n a m i c a l l ya n d i n t e l l i g e n t l ya d j u s t e db ym c u ，w h i c ha l s oe s t i m a t e st h ev o r t e xf r e q u e n c ya n d o u t p u t sc o r r e s p o n d i n gp u l s eo nl i n e l a s t t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ed e s i g n e dt or e a l i z et h e a r i t h m e t i c ，i nw h i c ht h em a i nc o n t r o l l e ri sm c u - - up s d 3 2 51 t e s t so ft h es y s t e m a r ec a r r i e do u tt op r o v et h et h r e s h o l dt r a c ea b i l i t ya n df r e q u e n c ye s t i m a t i o na b i l i t ya t l o wf l o wr a t eo nt h ep l a t f o r mm e n t i o n e da b o v e t h i sl a y sap r o f o u n df o u n d a t i o nf o r t h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o dt ov o r t e xs i g n a lp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：v o r t e xf l o w m e t e r t i m ed o m a i na n a l y s i s a d a p t i v et h r e s h o l d i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：隧日期翘：；一夕 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一一圭塑查兰堡：! 兰竺丝苎 第一章绪论 本章主要内容： 涡街流量计原理与结构 涡街流量信号特点 涡街流量信号处理方法发展现状与存在问题 2 0 世纪过程工业、能量计量与城市公用事业的发展促使人们对流量测量需 求的急速增长，许多新型的流量计如雨后春笋般涌现出来。涡街流量计作为一 种新的速度型流量计，具有量程相对较宽，准确度较高和压力损失较小等优点。 人们从6 0 年代末开始研制封闭管道涡街流量计，热丝检测法及热敏检测法涡街 流量计诞生。7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，众多类型阻流体及其检测 法的涡街流量计开发并大量生产投放市场。到了9 0 年代中后期，涡街流量计在 世界范围内流量仪表总量中的台数约占3 5 ，金额占4 6 【1 1 。涡街流 量计近年来发展迅速，目前己跻身于通用流量计之列。 1 1 涡街流量计工作原理与结构 涡街流量计利用流体振动原理进行流量测量，在特定的流动条件下，它的 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。1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 发表了关于流体振动频率与流速关系的文章， 斯特劳哈尔数( 见附录一) 就是表示漩涡频率与阻流体特征尺寸、流速关系的 参数。涡街流量计仪表内无机械可动部件，使用寿命长，测量精度相对较高。 涡街流量计的基本原理则2 】：在与被测介质流向垂直的方向放置非流线 型漩涡发生体，当流体流过该漩涡发生体时，在发生体后方两侧交替地分离释 放出两列规则的交错排列的漩涡，称为冯卡尔曼涡街，如图1 1 所示。当漩 涡发生体右( 或左) 下方产生一个漩涡后，在旋涡发生体上产生一个升力。在 f ：海大学坝卜学位论义 旋涡发生体内部安装应力式压电传感器，可以将作用在旋涡发生体上的升力转 换为电荷信号。电荷的变化频率与漩涡的脱离频率一致。通过检测压电传感器 输出信号的变化频率，就可以得到漩涡的分离频率。 3 x 、 藐建， 由试验可知，当雷诺数( 见附录一) r e = 3 x 1 0 2 2 1 0 5 范围内，斯特劳 哈尔数5r 几乎不变，漩涡的分离频率正比于管道内的平均流速，从而由频率得 到流体的流速： ，2 ( s ，”) ，d ( 1 1 ) 式中，s ，斯特劳哈尔数，输出频率，h z ； v 流体流速，r i l s ；d 漩涡发生体宽度，m 。 对于三角柱漩涡发生体，其传感器仪表系数k 经推导可得【2 i ： k ：坚(1-2) ( 1 - 1 2 5 d ) d d 2 式中，d 一一管道直，m 由上式看到，对于给定形式的涡街流量传感器，其仪表口径d 、漩涡发生 体特征尺寸d 及斯特劳哈尔数3 ，是确定的，为此仪表系数k 也是确定的。只要 准确测得漩涡的分离频率f ，就可准确得知被测流体的流速，从而测量管道内流 体流量。涡街流量计的输出由仪表系数来描述，由式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可见，仪表 系数尽管随雷诺数变化，但在很宽的一段范围内保持不变。 l 海大学硕士学位论文 k - f a c t o r c p u l s e s 神r i j t t i tv o t u m e 图1 2 仪表系数与雷诺数关系曲线 根据雷诺数公式：r e ：p d v ( 1 - 3 ) ，7 式中，p 流体密度，叩粘滞系数，p a s ： v 流速，m s ；d 管道直径，m 。 在密度、粘滞系数与管道直径不变的条件下推导出雷诺数稳定范围内涡街 流量计可测的流速范围能达几百比一。但目前国内的涡街信号处理模块由于低 流速测量的困难，使量程围度只在1 0 ：1 左右口j ；美国r o s e m o u n t 公司的涡街流 量计对液体的可测围度为3 5 ：1 ，对气体的可测围度为3 8 ：1 1 4 1 。 涡街流量计的结构也在随着科学技术的发展不断更新。目前按涡街传感器 主要划分为两种方式：差压电容传感器( 德国e + h 公司) 和压电传感器( 美国 r o s e m o u n t 公司、日本横河公司) 。传统的传感器放在涡街发生体中，在发生体 上丌孔来感受压力的变换，这样的设计无法解决抗赃污的问题，当介质中含有 杂质时，传感器发生体上的孔易被杂质堵上，使仪表无法正常工作。新一代的 涡街流量计采用传感器与发生体分离的结构，较好地解决了抗脏污和对高温介 质的测量问题。 涡街流量计中的检测元件把涡街信号转换为电信号。目前，对涡街的测量 方式主要有应力式、超声式、热敏式、应变式等 5 l ，不同的测量方式配备有不 同的前置放大器。 ! 塑苎兰堡兰竺堡苎 1 2 涡街流量计信号特点与组成 涡街流量计的输出信号主要由两部分组成：一是由流速产生的涡街信号； 二是由干扰引起的噪声信号，噪声信号含有确定性分量和随机分量。 ( 1 ) 流体流动噪声 管道内流动介质的紊流、脉动、流场的不稳定及不均匀性会对涡街发生体 施加不规则的附加作用力。这种作用力引起的噪声幅度、频率均不规则，呈现 很大的随机性。 ( 2 ) 流体低频摆动噪声 当规则涡街产生后，在工作信号上会迭加一种五分之一到十分之涡街频 率的低频噪声，其幅度略小于涡街信号，频率的高低与涡街发生体的几何形状 有关。 ( 3 ) 机械振动噪声 输送流体的管道偶尔受到外力撞击，会产生随机振动噪声。各种动力源， 如水泵、压缩机等的振动由管道传递到传感器上，造成涡街发生体上产生附加 的惯性应力，形成振动噪声。 在理想情况下，涡街流量计输出信号为正弦波。但实际上涡街信号中含有 较复杂的噪声成份。噪声的频率、幅值变化规律因现场使用条件而异。下图为 应力式涡街流量计在流速约为o 7 9 m s 时的信号输出波形。由图可见，输出信 号中混叠着各种噪声和干扰信号，且流速越低，噪声干扰对涡街信号的影响越 明显。 ( a ) i 海大学硕士学位论文 图1 - 3 流速为0 7 9 m s 下的传感器放大输出信号 ( a ) 不含泵振动噪声( b ) 含泵振动噪声 涡街流量信号的输出幅度由涡街流量计的直径、流体密度和流速所决定。 对于应力式测量方式，信号的幅值( a ) 、密度( p ) 和流速( v ) 的关系还存在下 述关系【6 】： a “pv 2 ( 1 4 ) 图1 4 涡街信号与振动噪声关系曲线 图1 - 4 【7 j 从信号与噪声的频谱关系显示了涡街流量信号处理中的难点：流速 越低( 信号频率越低) 涡街信号和噪声信号的统计能量之比就越小。 显然，在信号的统计能量略大于噪声统计能量时，瞬时也将会出现噪声幅 值大于信号幅值的情况，并且流速越低这种情况就越多。可见在低流速时，用 检测信号幅值变化的方法所得出的流速( 信号频率) 误差将会很大。这就成为 涡街流量计信号处理的研究难点。 1 3 涡街流量计信号处理方法研究现状 目前，国内外对涡街信号的处理方法主要有：互相关方法l8 1 、小波变换方法 9 、自适应陷波滤波方法【川、数字跟踪滤波方法【1 2 】、频谱分析方法【1 3 】【1 4 l 等。 1 3 1 谱分析法 f f t 谱分析法把信号的表示方式从时域转换到频域，通过能量的角度来分 析信号。不同信号的概率密度函数经傅里叶级数展开后能得到的频谱为一系列 卜海人学城士学位论文 图1 - - 3 流速为0 7 9 m s f 的传感器放大输出信号 ( a ) 不含泵振动噪声( b ) 舍泵振动噪声 涡街流量信弓的输出幅度由涡街流量计的直径、流体密度和流速所决定。 对于厦力式测量方式，信号的幅值( a ) 、密度( p ) 和流速( v ) 的关系还存在下 述关系 a ”口v 2 f 1 - 4 ) 图1 4 涡街信号与振动噪声关系曲线 图1 4 口从信号与噪声的频谱关系显示了涡街流量信号处理中的难点：流速 越低( 信号频率越低) 涡街信号和噪声信号的统汁能量之比就越小。 显然，在信号的统计能量略大于噪声统计能量时。瞬时也将会出现噪声幅 值大于信号幅值的情况，并且流速越低这种情况就越多。可见在低流速时，用 检测信号幅值变化的方法所得出的流速( 信号频率) 误差将会很大。这就成为 涡街流量计信号处理的研究难点。 1 3 涡街流量计信号处理方法研究现状 目前国内外对涡街信号的处理方法主要有：互相关方法、小波变换方法 f 9 】、自适应陷波滤波方法1 、数字跟踪滤波方法f 1 ”、频谱分析方法 1 3 1 等。 1 3 1 谱分析法 f f t 谱分析法把信号的表示方式从时域转换到频域，通过能量的角度来分 析信号。不同信号的概率密度函数经傅里叶级数展开后能得到的频谱为一系列 析信号。不同信号的概率密度函数经傅里叶级数展开后能得到的频谱为一系列 一! 坚查兰堡兰堂堡垒塞 离散的冲击谱。f 弦信号的幅值概率分布密度为某一频率处的一条谱线，大幅值 密度大，小幅值密度小。而白噪声的概率密度则相反，呈正态分布，j 、幅值密度大 大幅值密度小。 1 5 1 实际涡街输出信号中虽含有不同的噪声成分，但在信号不被干扰所淹没的 情况下，其主要能量仍集中在涡街正弦信号的频率处。基于上述理论，可以通 过f f t 变换，画出信号的频域图，在图中找到谱峰值最高、谱的长宽比最大的 点，推测该点的频率即为涡街流量的测量值。 我们用m a t l a b 中的s p t o o l 工具箱对各流速下涡街流量信号进行了分析。对 于国产应力式流量计的输出信号，用谱分析法可测涡街流量信号输出频率最低 为1 1 0 7 2 6 h z ，比传统的电路阈值方法所能测的下限频率低2 h z 左右。但是在涡 街流量计更低流速( 流速 a 2 时频图 上海大学硕士学位论文 b 高频波幅等于低频波幅时 05 1 0 1 b2 0 2 6 3 03 b 4 0 幽3 2 x ( t ) = a ( c o s 4 t + g o s l 5 f ) 时频图 c 高频波幅大于低频波幅时 1 。 图3 - - 3 x ( f ) 2a 1s i n t + a 2 c o s l 2 t ， a i a 2 时频图 ( 2 ) 合成波的两种频率相近时 当组成合成波的两种频率相近时，合成波会出现拍的现象1 24 1 。如火车通过 桥梁时，火车的强迫频率接近于桥梁自振频率时所产生的情况。合成拍波形要 求两种频率的关系一般为o 8 5 f l f 2 1 2 5 f l 。 一一主堡查兰璺主兰垒兰茎 ： l， 图3 - - 4x ( t ) = 2 c o s ( 5 2 n t ) + 3 c o s ( 5 5 x 2 耐) 合成拍时频图 3 1 1 2 波形分析的常见方法 随机波形幅值和频率的读数是波形处理中的中心环节。对于随机波形的计 数方法，按其统计对象的特征，大致可以归纳为以下四种类型口4 】： 分类常用方法特点 应用场合 l 采样取点计数法采样直接计数等步长取点机器自动采样 采样分组计数 穿极计数法简单穿极计数法选择若干的幅值等级，当提供瞬时的波形 限制穿极计数法 幅值i f f ( 或负1 斜率穿越时幅值或载荷值 计数 峰值计数法 全峰值计数法记录极大值和极小值计录极值载荷谱 简单峰值计数法 变程计数法 简单变程计数法记录相邻两峰值间差值疲劳研究 雨流法 表3 1 常用时域波形处理方法归类 在涡街信号时域处理中，我们借鉴了以下几种方法： 1 穿极计数法 简单穿极计数法即选择若干预定的幅值等级水平1 ，2 ，n 。每当幅值 以正的( 或负的) 斜率穿越这些值中的一个就计数一次，如图3 - 5 所示。 ：! 塑查兰婴：! ：兰垡堡兰 疆 倒3 5 简单穿极计数法 从图3 5 可以看出，不管穿级是以正的还是以负的斜率越过两个过程，都 得到几乎完全相同的结果。这种方法提供的只是瞬时的波形幅值或载荷值。从 图( a ) 和( b ) 中可看出这种方法的不充分性。虽然图( a ) 和( b ) 所示的载荷不等，但将 得到相同的结果。这就说明小的中间波形幅值变化将增加附加的读数，雨这些 小的波形幅值往往在实际产生影响的过程中并不重要，就是说，小的中间波形 幅值变化，将影响这种计数方法的有效性。 因此可以采用限制穿级计数法，该方法把幅值大小采取一定的限制，在相 应的波形幅值变化中，把小于某一变程的值略去其穿级计数。这样从某种程度 上可以弥补简单穿级计数法的缺陷。 2 峰值计数法 简单峰值计数法汜录均值以上各极大值( 正波峰) ，均值以下各极小值( 负波 谷1 。这种方法一定在某种程度上计及了实际出现的波形图，因为这种方法包含 了对峰值的检测。实际应用中，可以象限制穿级计数法一样，引进幅值大小的 限制条件，这样可以多少补偿一些因无效载荷幅值引起的计数缺陷。有时，可 以只计高于某一特定值的极大值或低于某一特定值的极小值进行计数。 跨均值峰值计数法( 最大值一最小值法) 用于只计数最主要的峰值。计数的 原则是跨过相邻两次均值间只计一个最高的极大值或最低的极小值，如图3 - 6 所示，这种方法忽略了中间波形幅值或载荷的波动。有时，为了进一步忽略偏离 均值附近的小幅值或荷载波动，用读数起点数量级线代替均值线，定出记数点， 如图( b 1 所示。 海大学硕士学位论文 。 yv i一 璐击于一 乙妒俨一一 图3 - - 6 垮均值峰值计数法 涡街信号噪声源复杂，噪声信号的随机性大，简单套用理论分析方法显然 很难达到在较宽的量程范围内准确检测出真实涡街信号频率的要求，因此，我 们要在波形分析理论上结合涡街信号的特点探索更具智能性化的信号时域分析 方法。 3 1 2 涡街流量信号波形分析 3 1 2 1 国内涡街信号处理模块电路分析 我们首先对天津自动化仪表三厂的l u g b 型涡街流量计和上海肯特仪表有 限公司的涡街流量计信号处理电路进行测绘与分析( 参见附录二、附录三) 。它 们均采用应力式测量技术 2 5 】。这两块电路板的信号放大电路都由以下几个部分 组成： 模拟输出 脉冲输出 传感邀叵巫卜匝巫p 匝堕卜匡堕蛩 图3 7 传统涡街流量信号处理方法硬件框图 f 1 ) 电荷放大器 电荷放大器是电荷一电压转换放大电路。输入阻抗高，它的输出电压正比 于输入电荷2 6 l 。压电晶体传感器作为一次部件测试流速，其输出的正弦波电信 号幅值小( 毫伏级) ，输出阻抗高，因此电荷放大器是必不可少的二次部件，要 用它进行阻抗变换，同时对信号进行预放大。 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 增益放大器 为了对信号幅值进一步放大处理，在电荷放大器之后需加入增益可调的电 压放大器。上述两块电路板都选用差分电路对电荷放大出来的两路信号进行增 益放大，增益放大后信号输出幅值在毫伏或伏数量级上。 ( 3 ) 饱和钳位 在负反馈放大器的反馈端接入正负并联的两个二极管使信号输出电压值饱 和与钳位。l u g b 型涡街流量计在该级的反馈放大倍数为2 0 倍，电压钳位于 1 4 v ，因此所有幅值大于7 0 m v 的信号都会输出饱和。该级使所有的输出信号 输出调整到一个幅值上，有利于后级的阅值控制。 ( 4 ) 限幅、整形、闽值控制 用施密特触发器设置一门槛电压，对已饱和的模拟信号进行限幅、整形， 得到脉冲形式的涡街信号输出。l u g b 型涡街流量计和k e n t 的涡街流量计分 别采用跳线和可调电阻来改变特定口径流量计的触发的阈值。 3 1 2 2 涡街信号时域分析可行性研究 用涡街流量信号采集装置对天津三厂l u g b 型5 0 m m 口径的涡街流量计进 行测试，在测试管道上串入电磁流量计作为流量标定装置。 在含泵振动和不含泵振动两种条件下，分别测得该流量计在流速为 o4 9 m s 、0 6 5 m s 、o 7 9 r r d s 时的电压放大输出端t p 的输出波形( 参见附录四) ： ( a ) ( b ) 图3 8 流速为0 4 9 m s 下的t p 端输出信号 ( a ) 不含泵振动( b ) 含泵振动 由实际采集到的波形可见，在流速较低时，低频涡街信号上叠加了高频干 上海人学硕t 学位论文 扰，干扰信号主要也是正弦波形式。在不含泵干扰的情况下，干扰信号的幅值 较小，信噪比高；在含泵振动的恶劣工况下，干扰信号的幅度甚至超过了实际 的涡街流量信号，此时的信噪比是负的。 此外，涡街信号受到外界突发的敲击等干扰时会输出大幅值的过冲信号， 此时，正常的流量信号被淹没，见图。 图3 9受管道敲击干扰的涡街流量输出信号 从l u g b 信号处理电路可以看到，t p 端信号经简单低通滤波与放大饱和 后就接到施密特触发器的输入端。在小流量时，严重的高频噪声往往会穿越电 压的零值点，简单的饱和方法会使最终输出方波信号频率远高于实际地涡街信 号频率。l u g b 涡街流量计方波输出端测得的信号( 见附录五) 足以说明传统 涡街信号处理方式在测量低流速信号时的局限。 图3 1 0 含泵振动条件下。流量为0 7 2 m sf 的方波输出端端信号 进一步分析方波输出端采集波形可以看到：小流量时，涡街信号和噪声信 号的幅值接近，输出方波的频率完全失真；流量逐渐增大时，涡街信号的信噪 比相对改善，最终的方波输出中虽然夹杂着一些窄脉冲，但已经可以看到一些 与实际涡街频率接近的脉宽，人的智能能够捕捉到涡街信号的大致频率。 综上所述，传统涡街流量信号处理方法中简单饱和与固定阈值的思路成为 提高涡街流量测量下限的障碍。为了正确提取涡街流量信号，在t p 端可以考 生塑奎兰塑主兰竺堡苎 虑用一个可跟踪阈值的方法来动态滤除干扰信号；在方波信号输出端可以采用 一套合理有效的人工智能的辨别方法，使微处理器能够通过学习”与归纳， 提取正确的涡街频率。 分析涡街信号组成可以看到，含嗓声的涡街输出信号由多种频率和幅值分 量的正弦波叠加而成。分别用0 5s i n ( 2 n 5 f ) + 0 5 s i n ( 2 x 万5 0 x f ) 和 o 5 s i n ( 2 。疗“5 x f ) + 1 5s i n ( 2 。n x5 0 。r ) 简单模拟在不含泵振动和含泵振动的 条件下流量为0 4 9 m s 的t p 端输出信号，见图3 1 1 。 ( b ) 图3 1 lm a t l a b 仿真波形 ( a ) 流速为o 4 9 m s 下不含振动的t p 端输出信号 ( b ) 流速为o 4 9 m s 下的含振动的t p 端输出信号 与l u g b 的实际涡街输出对比分析，除了一些高频毛刺，仿真波形与实际 波形的趋势非常接近。如图3 1 2 所示，若在涡街流量信号平台上设置合适的 波形参数，可使输出信号的相似性更大( 参见附录六) 。因此我们推想可以借 鉴前面所介绍的波形分析理论，采用更为简洁时域描述法来处理涡街流量信号。 一 圭竖查兰堡主兰垡堡塞 图3 1 2 流量信号测试平台模拟o 4 9 m s 涡街不含振动信号 3 2 涡街信号处理阈值跟踪算法的探索 传统的涡街信号处理模块( 天津三厂l u g b 型涡街流量计) 使用过于简单 的饱和方法，把噪声引入了最后的信号中，无法跟踪低流速时的信号频率：频 谱分析方法带来了分辨率和采样时间的矛盾，并且只能在信噪比为正数的前提 下提取涡街频率；其他各种非线性理论目前只处于仿真阶段，无法直接用于在 线测量。因此，我们尝试从涡街时域波形入手，以阈值控制为主要手段来研究 更有效的信号处理方法。 3 2 1 动态阈值方法的仿真效果 阈值思想即是时域波形分析中限制穿极的概念，把幅值大小采取一定的限 制，在相应的波形幅值变化中，把小于某一变程的值略去其计数。通过涡街流 量信号测试平台的阚值设置功能，我们可直观地看到动态阙值调整效果。如图 3 一1 3 示，发生器信号参数设置与图2 - - 4 相同，以“1 ”为满幅输出值，阈值 的变化对v o u t 的频率输出产生了重要的影响。由图示可见，当阈值为0 2 时， v o u t 相对于图2 - - 5 的“0 阈值”己经改进了许多，但仍有一部分跨越正负闽值 的小脉冲，还不能得到完全与实际涡街频率相同的脉冲信号：当继续抬高阈值 到0 4 时，v o u t 得到的脉冲信号就相当理想了，其频率与涡街流量信号的频率 完全一致。但是，闽值过高也会产生负面效应，当阈值继续抬升到0 7 5 时， 真实的涡街信号也被当作噪声给滤去了。可见，选择一个合适的闽值是求取涡 一一 ：! ：塑查兰堡! ：兰堡堡墨 街流量实际信号频率的关键。 ( a ) 阀值，满量程输出= 0 2 ( b ) 阈值，满量程输出= 0 4 ( c ) 阈值满量程输出= 0 7 5 图3 1 3 阈值调整仿真效果 上海大学硕t 学位论文 此外，由管道敲击等原因引起的大幅值突发过冲也是一种典型的噪声形式， 它经施密特触发后电会穿越正负阈值，产成不规则分布的窄脉冲。阈值动态调 整对这种干扰无能为力。 仿真面板参数蹬置 叠加信号类型 幅值 频率 初始相脉宽 ( h z )角( o ) 涡街信号 0 13 00一 高频干扰 o 22 8 05一 正脉冲干扰 0 71 75 0o 0 1 个涡街脉宽周期 负脉冲干扰 0 7 1 71 5 0 0 0 2 个涡街脉宽周期 图3 1 4 涡街流量信号含冲击噪声的仿真散果 由仿真效果可见，阅值的调节能够有效滤除高频干扰以及一些幅值不是很 大的随机干扰。由于流量信号随时会变化，要设计一种能实时跟踪信号并调整 阈值的方法才可能正确捕捉到小流量时的涡街频率，我们探索了基于信号整流 的闷值自适应方法、信号波形分析法和阈值的脉宽估算法，并在这三种方法比 较总结的基础上提出了涡街流量信号的智能时域算法。 3 2 2 基于信号整流的阈值自适应方法 我们设计了一种基于整流的信号阈值自适应跟踪方法，该方法的电路主要 由以下几个部分组成： 上海大学硕j 学位论文 传感器 输出 图3 1 5 自适应闽值电路结构 ( 1 ) 仪表放大电路 仪表放大器具有高输入阻抗、高共模抑制、低线性误差等优点【2 ”，因此我 们考虑选用一块已集成的仪表放大器芯片i n a l l 4 来完成电荷放大和增益放大 的功能。这样既能提高放大性能，又能简化设计。 f 2 ) 闽值产生电路 图3 一1 6 阈值产生电路 用两个运放搭成精密全波整流电路【2 8 】，并在滤波电路后加上万型整流电路， 使其产生直流电平。整流所得的直流电平是对输入信号幅值的积分平均，能够 比较客观地反映出涡街信号能量的变化。对、, , - - z 1 0 我 们所需要的动态阈值。 f 3 1 阈值控制信号输出 图3 1 7 阚值比较器电路t 1 t 2 圭塑奎兰塑主兰焦垦奎 ；j “j f j 。： f j j ? - j - f j 畦 a ) 流量信号b ) t l 端信号c ) t 2 端信号 图3 1 8l 骑值控制信号输出波形 图3 1 7 所示电路把直流闽值电平经反相后分成正负两路，分别与信号进行 比较，图3 1 8 为输出流量信号经比较器与施密特触发器后的最终输出波形。施 密特触发器能克服小噪声导致误的触发，保证了最后输出的方波频率与输入流 量信号的频率的一致性。 为了测试该方法的效果，我们把自制的电路板接到l u g b5 0 r a m 口径的传 感器信号输出端，附录八为l a b w i n d o w s c v t 的平台采集到的该信号板的最终 输出波形，可以看到，该方法明显提高了低流量时的涡街信号测量与抗噪能力。 图3 1 9 自适应闽值电路含泵振动流速为0 7 1 m s 时最终输出信号 本电路中的阈值由输入信号幅值积分平均后获得，反映了信号的总体趋势， 相对于传统的固定阈值方法已有了突破。但是，该信号处理模块还是存在着缺 陷：全波整流电路不够稳定，输出的直流信号不是很平稳；电路试验中，阀值 抬到1 5 v 左右就饱和了，继续抬高信号幅度时，整流输出就产生畸变。因此， 该电路只是一种简单的尝试，它让我们更为直观地看到了闽值跟踪的优点，但 涡街信号处理还存在诸多的复杂因素，需要研究更为“智能化”的闽值跟踪方 法。 3 2 3 信号波形分析法 这里，我们以波形分析理论为基础设计了一种涡街流量计信号的阈值自适 应处理方法3 ，即先对涡街流量计传感器输出放大与滤波得到信号s o ，然后采 上海大学硕士学位论文 用施密特触发器对信号s o 频率进行捕捉并转换为脉冲信号s l ，其特点是我们 采用微处理机通过a d 转换单元对信号s o 进行数据采集，在对信号s o 频率的 幅值表现区间a 进行监测后，通过d a 转换单元动态地调整施密特触发器的上 阈值v u 和下闺值v d 以适应当前信号s o 频率的幅值表现区间a ，从而使信号s o 中反映流速的频率被施密特触发器准确捕捉和转换为对应频率的脉冲信号s 1 。 其中闽值的获得采用了波形分析理论中的峰值计数法，通过a d 采样已录零值 以上各极大值( f 波峰) 和零值以下各极小值( 负波谷) 。这种方法一定在某种程度 上计及了实际出现的波形。图3 2 0 是本方法的一个结构原理框图。 图3 - - 2 0 基于波形分析的闽值自适应算法的结构框图 上述微处理机单元的处理工作步骤如下： 微处理机单元通过d a 转换单元将施密特触发器的上阈值v u 和下闽值v d 动态地调整在当前信号s o 频率的幅值表现区间a 内，使上阈值v u = k ( a u - - a d ) + a d ，下阈值v d = 一k ( a u - - a d ) - - a d ，k 是根据流量计口径、流体介质在0 1 。0 9 中选取，而其中的幅值表现区间a 以及a u 与a d 可以采用以下方式得出：微处 理机单元通过a d 转换单元对信号s o 进行数据采集，在大于涡街流量计信号频 率最大周期t 的时间内得出大于零的极大值点集x p = ( x p l ，x p 2 ，x p n ) 和小于 一：兰堂查兰型主主垡堡茎 零的极小值的绝对值点集x m = ( x m l ，x m 2 ，x r m ) ，得出点集x p 中最大值x p m a x 与最小值x p m i n ，得出点集x m 中最大值x m m a x 与最小值x r e t a i n ，取x p m a x 与x m m a x 中较小的值作为上限值a u ，取x p m i n 与x m m i n 中较大的值作为下限值a d ，得出 当前信号s o 频率的幅值表现区间a 为a d a a u 和- - a u ( a 一a d ： 图3 - - 2 1 是图3 2 0 示例的信号曲线图。其中图a 和图b 为高速流下可能 的信号s o 曲线和脉冲信号s l 曲线，图c 和图d 为低速流下可能的信号s o 曲线 和脉冲信号s l 曲线。 a a jls o 气乃n 八八 a j ，、j、ilj il ， ， 、， jl r a 、f i 。 ” jls 1 l 8 ， a 厂 r 厂 厂 bl jul jul 7 ) ) v u v d 丁r 一 ，n f，l 厂、t 、jn 厂、 。 vl f u ) 7 ： v l jl3j a b ( d ) 图3 - - 2 1 基于波形分析的闽值自适应算法的波形实例 上海大学坝i + 学位论殳 显然，这个方法有如下优点：通过连续监测当前信号频率的幅值表现区间， 施密特触发器的上闽值与下阈值自适应地调整在当前信号频率的幅值表现区间 内，使触发器对信嗓比较差的信号频率也能准确地捕捉和转换为脉冲频率。整 个信号处理方法简单且具有对高低流速信号处理的自适应性、正确性和快速性 的特点。 3 。2 4 阈值的脉宽估计法 阈值脉宽估计法是阈值跟踪方法的新思路，该方法以脉宽与闽值关系为调 整依据，通过微处理器直接获取最终输出的脉宽信息，同时智能控制阈值并反 馈给比较器。 3 2 4 1 阈值的脉宽估计法原理与实现 根据正弦波的波形特性，我们可以找到脉宽与阈值的对应关系： t c y z t m 、 j u 。一一 l 秽。j 图3 - 2 2 理想涡街信号脉宽和幅值关系图 一m 一一c 由图3 - - 2 2 示：旦：2 2( 3 1 ) 9 0 。 ! 砌 2 则旦t m - 1 - 杀，阈值y z = s i 删 对于实际涡街信号，t c 、t m 可从正负阈值比较器和不可重触发比较器的 输出端获取，由下图示； l 海大学硕士学位论文 叱妣。j v ”吼”u副。o hq 。i v 。v l。f v 。蚺 i v 。 f 。”in h ”na r1 l 。“ j 1 l i u”。 ” j饥j | f u k 1 卜c b ， ( c ) 图3 - - 2 3 阀值脉宽估计参数获取示意图 ( a ) 信号波形 ( b ) t n 值比较器输出信号 ( c ) 负阈值比较器输出信号 ( d ) 不可重触发比较器输出信号 该方法的特点是在脉冲输出端s 1 和s 2 加入了微处理器，微处理器根据脉 冲信号自适应调整阈值并输出，该闽值经d a 最终反馈到输入信号的比较器端。 基于脉宽的阈值估算方法实现结构框图如图3 2 4 示。 经放 涡街 图3 - - 2 4 闽值脉宽估计算法系统结构示意图 上海大学硕士学位论文 上述方法中，微处理器完成的算法有： ( 1 ) 基于脉宽的阈值估算 扎2 设最终阈值调整到理想位置时：t m5 ，由式( 3 一1 ) 得目= 5 4 。 最后调整阀值的准则为：面y 而z ( n ) = 专箸 ( 2 ) “大鱼吃小鱼”算法 由图3 - - 2 5 示，即使闽值具备了一定的跟踪能力，但由于实际流量信号的 存在很多随机噪声，最终的输出中还可能掺杂一些小的脉冲( 参见附录八) 。人 的智能已能分辨出哪些脉冲是噪声引起的，哪些是实际涡街信号的触发的。 图3 - 2 5 基于整流的阅值自适应法流量为o 4 9 m s 时脉冲输出 因此，我们以信号和噪声的脉宽特点与分布规律为依据设计种“大鱼吃 小鱼”的人工智能算法，使c p u 通过“学习”也具备人眼的分辨能力。在小流 量时，涡街信号的频率较低，由低阈值触发的方波脉宽就比较宽，我们称之为“大 鱼”，而由噪声和冲击干扰误触发的方波脉宽则比较窄，称之为“小鱼”。c p u 首先取一定量的样本值作为判定“大鱼”和“小鱼”的依据，然后实时记录不 可重触发比较器每次输出的脉冲宽度，当计到“小鱼”时，输出不变，即吞并 小脉冲；当计到“大鱼”时，最后输出跟随不可重触发比较器输出翻转，即保 留了大脉冲。涡街信号结算仪最后只累计脉冲的个数，因此脉宽大小的偏差不 影响最后的计数精度。 “小鱼”的判定准则可以根据用户要求和现场信号的恶劣程度进行调整： 当工作环境比较好、外部噪声比较小时，可以将“小鱼”相对于“大鱼”的比 例设得小些：反之，则应增大“小鱼”的尺寸。后续的算法仿真中，我们在初 始化时把“小鱼”的标准定为1 2 个最大脉宽。 海大学硕十j 学位论文 图3 2 6l 阏值的脉宽估计法工作沉程图 阈值脉宽算法结构简单，动态调整阈值快速性好，其显著的优点是可以克 服其他方法无法解决的窄脉冲，提高结算精度。 3 2 2 3 阈值的脉宽算法仿真效果 由于采用了动态调整阈值的跟踪式测量方法，因此要分析跟踪的性能和闽 值调整的收敛问题。对此，我们在m a t l a b 上对整个算法进行仿真，以两种不同 幅值、不同频率的正弦波叠加作为输入信号，观察算法的收敛性和阈值控制效 果。 仿真曲线中的5 张子图分别显示了( 1 ) 输入信号和动态阈值调整过程；( 2 ) 正阈值比较器输出；( 3 ) 负闽值比较器输出；( 4 ) 不可重触发比较器输出：( 5 ) 闽值脉宽算法最终输出。 可以看到，对于相同信号采用不同的初始阈值，有可能产生收敛和发散两 3 6 ：海大学硕，l 学位论文 种跟踪结果，如图3 - - 2 7 示。附录九罩列出3 种不同幅值比，不同频率比的波 形在不同初始闽值下的阈值和频率跟踪结果。 1 0 s i n ( 2 n j i f ) + 5 s i n ( 2 n f 2 r ) ，_ = 3 0 h z = l o o h z ，初始闽值为4 ( a ) 收敛 l o s i n ( 2 顽f ) + l os i n ( 2 矾f ) ：= 3 0 h z ， = 3 0 0 h z ，初始阈值为1 4 ( b ) 发散 图3 2 7 闽值脉宽估计法m a t l a b 仿真结果 由上述的仿真效果可以看出： ( 1 ) 整个阈值跟踪过程并不是绝对收敛的； ( 2 ) 在结果收敛条件下，频率测量的结算精度较高； ( 3 1 初始闽值的设定至关重要，对相同的信号采用不同的初始阈值会使结 海大学硕l 学位论文 果差别很大。理论上最后闽值输出只与信号幅值成对应关系，但由于a 噪声信 号的加入，增加了信号的杂性；b 初始阈值的设置直接决定了“大鱼”的大小， 并最终影响“小鱼”的脉宽判定基准，因此信号的最