基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流体脉动干扰方法.doc

基于 FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流体脉动干扰方法彭杰纲傅新陈鹰(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杭州 310027)摘要提出了利用 F F T 相位判别来消除流场脉动干扰对旋进旋涡流量计测量影响的方法。研究了流体脉动对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应特性的影响。在流量计实验装置上对 50mm 口径旋进旋涡流量计进行了实验研究。实验表明: 流体脉动干扰压力与旋进旋涡效应的脉动压力间存在线性迭加关系以及流场脉动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现象。 数值实验表明了本方法的有效性。关键词 F F T 旋进旋涡流量计 流体脉动干扰 相位判别A M e thod f or Rem ova l of F lu id Pulsa t in g In terf eren ce on Sw ir lm e terBa sed on Spec trum Pha se D iscr im ina t ion U s in g FFTP en g J iegan gF uX inC h enY in g(T h e S ta te K ey L abora tory of F lu id P ow e r T ransm iss ion and C on t rol, Z h ej iang U n iv e rs ity , H ang z h ou 310027, C h ina )A bstrac t A sp ec t rum p h a se d isc r im ina t io n m e tho d ba sed o n F F T to rem o ve th e effec t o f f lu id p u lsa t ing in te rfe r2ence o n sw ir lm e te r w a s p ropo sed. T h e effec t o f f lu id p u lsa t ing in te rfe rence o n dynam ic ch a rac te r ist ic s o f sw ir l2 m e te r w a s inve st iga ted. A = 50mm p ro to typ e sw ir lm e te r w a s deve lop ed fo r th e exp e r im en t in st rum en t de signed. M a jo r f ind ing s in exp e r im en t a re de sc r ibed a s fo llow s: F ir st, th e co r re la t io n be tw een th e ve lo c ity p re ssu re s o ff lu id d istu rb w ave and ve lo c ity p re ssu re o f vo r tex p ro ce ssio n in sw ir lm e te r is linea r co r re la t io n. Seco nd, f lu id d is2 tu rb s lead to m a in f requency sh if t p h enom ena in th e sw ir lm e te r m ea su re. A num e r ica l exam p le dem o n st ra ted th e h igh eff ic iency o f th e m e tho d.Key words F F TSw ir lm e te rF lu id p u lsa t ing in te rfe renceP h a se d isc r im ina t io n研究:引言1( 1) 针对流体振动型流量计目前采用的放大、滤波、整形和计数的方法, 不能从含有管道的机械振动和 流场的不稳定等噪声信号中准确提取频率信息, 以至 于流量计现场的测量精度达不到指标规定的要求。 人 们提出采用数字信号处理方法处理流量传感器的信号, 其主要包括: 基于 F F T ( 快速傅立叶变换) 的周期图旋进旋涡流量计是一种新型的流体振动流量计。其主要特点是无活动部件, 对测量介质的适应性广, 线 性测量范围宽, 可应用于气体、液体和蒸汽的计量。 但 旋进旋涡的强度较弱, 当待测系统附近有振动或噪声 源, 或流体内部波动或管壁振动时, 其计量精度就会受 到明显的影响1 4 。 对待测流体及其环境条件的苛刻 要求, 极大地限制了其工业应用。 为此, 人们从不同角度 进 行 了 研 究, 归 纳 起 来, 主 要 是 从 两 条 途 径 进 行法5, 自适应陷波滤波方法6 , 互相关方法7 , 数字跟踪滤波方法8 11 和小波变换方法12 。 虽然上述方法对解 决测量现场外界干扰引起的传感器输出信号中波形畸变而导致的传统二次仪表计数误差是有效的, 但没有考虑到由于流体脉动干扰引起的主频移动现象的影响。( 2) 针对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应脉动压力 的相差现象, 人们提出利用对称信号差分处理来解决 旋进旋涡流量计抗干扰问题。1991 年H e in R ich s 做了 用集成差分传感器降低旋进旋涡流量计量程下限的实 验研究13 ; 2000 年傅新等人用流体力学仿真对旋进旋 涡流量计的流场特性进行了研究, 进而提出对称信号 差分处理抗干扰的思路14 。但简单的轴对称信号差分 处理只能解决相位和幅值都相同的共模噪声对传感器 输出信号波形的影响; 并且由于其对安装工艺和传感 器的极其严格的对称要求, 使该方法在工业上的使用 受到极大限制。本文就流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应 的影响进行了实验研究。 明确了流体脉动干扰压力与 旋进旋涡效应的脉动压力的线性迭加关系以及流场脉 动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现 象; 并且对旋进旋涡有效信号和脉动干扰信号进行相 位 分 析, 得 出 对 称 轴 线 旋 进 旋 涡 有 效 信 号 具 有 接 近180相位差, 而流体脉动干扰信号接近 0相位差的结 论。 分析了现在采用的数字信号频率提取和对称差分 信 号处理的缺点, 在此基础上提出基于 F F T 相位判别 的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法, 并给出仿真结果。渐缩小, 旋涡强度逐渐加强, 达到扩大段时, 由于旋涡急剧减速, 压力上升, 旋涡中心区的压力比周围低, 于 是就产生了回流。在回流的作用下, 旋涡流偏离原前进 方向, 迫使涡核在扩大段作一种类似陀螺的运动, 旋涡 流的进动是贴近扩大段的壁面进行的。 由于旋进旋涡 频率与流体的流速成正比, 因此, 测得旋进旋涡频率即能反映出流速和体积流量的大小。流场脉动干扰对旋进旋涡流量计测量影3响实验研究3. 1实验测试系统图 2 所示为实验装置及测试系统原理图。 实验装 置为气体流量实验系统, 它由5 个部分组成。l|I 流 场干扰模拟装置, 用于在实验室条件下模拟流场波动; 实验表体; ? 标准流量校准装置, 采用临界 流 文 丘 利 喷 嘴 流 量 计 作 为 校 准 其 它 仪 表 的 基 准; K 压差产生装置, 通过真空泵产生负压, 入口和出 口之间产生一个压差, 形成小型风洞; V 计算机测 试系统, 用于测量传感器的输出, 主要由电荷放大器及 用于采样计算的美国DA C T RON 公司P ho to 便携式动态信号分析仪 ( 该分析仪的主要特性和性能指标: 4 个输 入 通 道, 1 个 输 出 通 道;120M H z TM S320V C 33D SP , 21kH z 处理率; 32 位浮点D SP; IC P 传感器供电;U SB 接口, 支持热插拔; 重量小于 200g, 抗振动外壳)和计算机所组成。1 42旋进旋涡流量计的原理旋进旋涡流量计是通过测量流体的旋进旋涡效应脉动压力频率来得到流体体积的流量计。 图 1 为旋进 旋涡流量计的原理图。图 2 流量计实验装置3. 2实验条件实验传感器采用上海测试技术研究院生产的直径7mm 压电式压力传感器, 其固 有 频 率 响 应 可 达 几 十kH z。实验节流时间大于 15s。实验的体积流量范围可图 1 旋进旋涡流量计原理图流体经过固定旋涡发生叶片产生一个旋转运动, 附加一个切向的速度到轴向运动的流体, 这样就产生 了连续的旋涡系列而构成一个旋涡流, 称之为“涡势”, 其中心为旋涡核 ( 旋涡中心流) , 外围为环流, 其流经变送器收缩段时涡流加速, 此时, 涡核直径沿流动方向逐从 5. 5 220. 5m 3 h ( 对应雷诺数 R = 2595 1. 0404e105 ) 间断分布。实验的管道内径50mm 。为得到充分发 展 的 湍 流, 实 验 段 的 入 口 直 管 道 长 度 为 800mm ( 10d ) , 在无周期扰动并无旋进旋涡的状态下的流动状态是充分发展的湍流。3. 3实验结果及讨论为研究流场脉动对旋进旋涡流量计测量的影响, 分别对脉动流在直管道中的传播特性及脉动流场中旋 进旋涡流量计测量特性进行实验研究。3. 3. 1脉动流管道传播特性实验图 3 为脉动流管道传播实验示意图。 对称于轴线 安装两个传感器, 以便于了解对称于轴线两侧的流体脉动流特性。图7, 图8 是典型旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量实验结果。 图9 是不同干扰频率下旋进旋涡流量计旋进旋 涡压力脉动主频与流量的校准曲线。图10 是脉动流测量相对误差曲线, 这里定义频率相对误差= (FQ fd - FQ 0 ) FQ 0;其中FQ fd 是流量Q 下扰动频率为fd 时的旋进旋涡频率, FQ 0为流量Q 下均匀流中旋进旋涡频率。图 3 脉动流传播实验示意图图 4, 图 5 是典型的同一扰动频率下不同流量脉动 流管道传播特性曲线 ( 图中Q 是流量, fd 是流场干扰模 拟装置扰动频率) 。脉动流管道传播基本特性与扰动频率无关。图 5典型脉动流管道传播压力脉动频域特性图 6 旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验示意图图 4 典型脉动流管道传播压力脉动时域特性从实验结果可以得出以下结论:( 1) 在相同扰动频率下, 不同流量的流体压力脉动 是不相同的, 但其频域主频是相同的, 幅值随流量的增 加而增大。在同一流量下, 对称轴线两侧的压力脉动的 相差接近于零, 而且波动的强度相近。( 2) 管道的压力脉动频率和扰动的频率是不一样 的, 管道流压力脉动频率高于扰动频率。这是由于流体 压力的扰动和管道耦合作用所产生流体波动的频率高 于扰动的频率。3. 3. 2旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验图 6 为旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量示意 图, 对称于轴线安装两个传感器, 以便于了解对称于轴 线两侧的旋进旋涡特性。图 7 典型旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验时域曲线从上面的实验结果可以看出:流体脉动干扰会使旋进旋涡流量计脉动流的测量 发生移频现象, 这一现象主要出现在流量比较小的情 况下。频率移动的程度随扰动频率的提高而增强, 最大 的偏差可达500% 左右。故在此种情况下通过数字信号处理提取频率信号将失效, 无法得到正确的流量。移频的工频干扰。 其两侧的不对称现象是由于电器与测试系统之间的不对称布置带来的。 通过对有脉动干扰两侧信号的差分处理可以得到波动频率与旋进旋涡频率一样的波动, 但会将不对称的电磁干 扰带到差分处理后的信号之中。 这样造成使用差分信号处 理来消除流体脉动干扰变得十分困难。 在工业应用领域要 使电磁干扰严格对称几乎是不可能的。通过差分处理可以消除流体脉动干扰可以这样解 释: 流体脉动干扰是线性叠加在旋进旋涡效应之上的, 从实验中我们知道流体脉动干扰在对称轴线两侧是对 称的, 可以通过差分消除。但旋进旋涡效应在轴对称两 侧 有 180相位差, 轴对称两侧信号差分后得到波动频率与进动频率相同、幅值得到加强的信号。图 8 典型旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验频域曲线4基于 FFT 相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法前面的实验表明现行的信号处理方法不能满意解决流体脉动干扰对旋进旋涡流量计的影响。 为解决上 述 问题, 我们提出基于 F F T 相位判别的方法来解决旋 进旋涡流量计抗流场脉动问题。4. 1 基于 FFT 的相位判别理论当 采样频率满足香农 ( Sh anno n ) 采样定理, 且实 现整周期采样时, 通过谐波 分 析 和 F F T 算 法 进 行 分 析, 可以求出各次谐波的幅值、相位, 然后复现成原始 的波形。 有:f ( t) = A m sin (m t+ m )式中: 是信号的角频率, 周期 T = 2, m 为谐波次 数, A m 为m 次谐波信号的幅值。m 为m 次谐波信号的初相位。设在 T 0 , T 0 + T 之间等间隔采样N 次, 则有:图 9 脉动流中流量计频率流量校准曲线N - 1 2 T i gm a = N f (T 0 +i N ) co s ( 2m N )i= 0N - 1 2 T i gm b = N f (T 0 + i N ) sin ( 2m N )i= 0图 10 脉动流测量相对误差曲线22gm =gm a + gm b 幅值现象所对应的频率是流体脉动干扰所产生的压力脉动频率。有 脉动干扰时旋进旋涡流量计两侧信号在 50H z 处有严重的不对称现象, 而无扰动情况下两侧信号没 有这样的现象。 对 50H z 的干扰进行相位分析, 其两侧 的相位差是接近于 0。 两者实验条件的差别是脉动模 拟装置的使用与否而且干扰相位特征是两侧 50H z 干扰相差为 0。这样可以确定 50H z 干扰的来源是交流电gm am = a rc tan g 相位m b只要满足香农采样定理和整周期采样, 那么gm = A mm = m + m Km = 1, 2, 3, , M15式中: K = 2fN , 其中 fN 为采样频率。4. 2 基于 FFT 相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰原理从前面实验知道脉动流场中旋进旋涡流量计的响 应有以下特点: 旋进旋涡的有效信号在对称轴线两侧 具 有接近 180相位差, 流体脉动干扰和电磁干扰都具 有接近 0的相位差, 而脉动流场中旋进旋涡流量计的 响应是流体脉动干扰和旋进旋涡效应两者线性叠加的 结果。这样, 可以从轴对称布置传感器中通过提取具有180相位差的主频的方法得到真实的旋进旋涡的频率 来消除流体脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计 影响。图11 是基于F F T 相位判别旋进旋涡流量计抗流 场脉动干扰的算法原理框图。4. 3 仿真结果及讨论为 检 验 该 方 法 的 实 际 效 果, 对 流 量 2211m 3 h ,3617m 3 h ,6616m 3 h ,10313m 3 h ,11117m 3 h ,图 11 算法原理框图14814m 3 h , 17813m 3 h , 20014m 3 h , 215m 3 h; 扰动频表 1基于 FFT 相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰原理仿真结果FQ22. 1m 3h - 136. 7m 3h - 166. 6m 3h - 1103. 3m 3h - 1111. 7m 3h - 1148. 4m 3h - 1178. 3m 3h - 1200. 4m 3h - 1215m 3h - 10 ( 无扰动)68 (H z)f 136 (H z)182 (H z)227 (H z)126. 78654210. 93733374. 99970585. 93703632. 81199820. 31184984. 374211101. 561621171. 87406126. 78654210. 93733374. 99970585. 93703632. 81199820. 31184984. 374211101. 561621171. 87406126. 78654126. 78654126. 78654210. 93733210. 93733210. 93733374. 99970374. 99970374. 99970585. 93703585. 93703585. 93703632. 81199632. 81199632. 81199820. 31184820. 31184820. 31184984. 37421984. 37421984. 374211101. 561621101. 561621101. 561621171. 874061171. 874061171. 87406 295 (H z) 126. 78654 210. 93733 374. 99970 585. 93703 632. 81199 820. 31184 984. 37421 1101. 56162 1171. 87406 (Q 流量m 3h , f模拟装置扰动频率H z, F 仿真提取频率H z) 率 0H z, 68H z, 136H z, 182H z, 227H z, 295H z 的 脉 动 流 旋进旋涡测量实验数据进行仿真。仿真条件是: 采样步长 t= 4116667E - 5s, 采样数 n = 1024。表 1 为频率提取仿真结果, 从表 1 的结果可以知 道, 使用该方法提取的旋进旋涡有效频率不受扰动频 率的影响。 完全消除了流体脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计的影响。对于该方法还需进一步研究的问题有:( 1) 从理论上讲, 管道振动在轴对称处不具有 180 相位差, 故该方法对管道振动也能有效消除。但需要进 一步实验证明。( 2) 该方法可以应用到各种利用数字信号处理提 取旋进旋涡频率信号的旋进旋涡流量计二次仪表中,其软硬件最优实现需要进一步研究。参考文献5结束语1P. H e rzl, R. D ow de ll. T h e sy stem app ro ach to h ighp e rfo rm ance ga s f low m ea su rem en t w ith sw ir l m e te r. F low M ea su rem en t & Co n t ro l in Sc ience & Indu st ry,1974, vo l. l, p a r t 2: 132 138.S. J. B a ilc. Tw o new f lowm e te r s h ave no m o v ing p a r t s. Co n t ro l E ng inee r ing, 1969, 16 (12) : 73 77.D ijste lbe rgen H. T h e p e rfo rm ance o f a sw ir l f lowm e te r.本文是实验室阶段性的结果, 使用实验方法找到了脉动流场的压力脉动与旋进旋涡效应的线性关系以 及脉动流场中旋进旋涡流量计主频移动现象, 提出基 于 F F T 相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰 方法。该方法的特点是: 利用旋进旋涡效应相位特征提 取有效旋进旋涡频率并能十分有效的消除流场脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计的影响。23J. P h y sic s E Sc ien t if ic In st rum en t s,1970, 3: 886 888.(下转第 252 页)3李刚, 刘巍, 等. 抑止工频干扰的及基线漂移的快速算法.中国生物医学工程学报, 2000, 19 (1) : 99 103.吴小培, 詹长安, 等. 采用独立分量分析方法消除信号中 的工频干扰. 中国科技大学学报, 2000, 30 (6) : 671 677. 曹细武. 心电图的各波的频率分析. 中国医学物理学杂志, 2001, (017) : 46 48.参考文献41 L i Gang, e t a l. . A new adap t ive co h e ren t m o de l a lgo 2r ithm fo r rem o va l o f pow e r2line in te rfe r rance. 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