CN101363746B - 流体振动式流量计自适应fft功率谱分析信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法。信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，将带有噪声的一次传感器输出信号S1输入信号处理模块，经信号处理模块进行自适应FFT功率谱分析处理后，输出去噪后的有效振动脉冲信号S3，提供给流量计二次仪表用于流量计算，以提高流量计抗噪性能并降低测量下限。避免了传统模拟信号处理存在的丢步与误触发现象，克服了传统单一采样频率FFT功率谱分析方法不能同时适用于高低频计量的弊端，以自适应的方式寻找采样频率，提高了低频时的频率分辨率，改善流量计测量精度并降低计量下限，适用于流体振动式流量计，尤其适用于电池供电的流体振动式流量计。
Description
技术领域
本发明涉及应用于流体振动式流量计的信号处理方法，尤其涉及一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法。
背景技术
流体振动式流量计利用特定结构诱发流体流经其一次传感器时产生振动，并通过二次仪表检测振动频率来确定流体速度或流量。目前，流体振动流量计应用广泛，但测量原理决定了其计量易受到外界噪声的干扰，尤其是在流量小振动频率低时，噪声导致一次传感器输出信号信噪比欠佳，难以检测有效振动信号，影响计量性能。因此，寻找合适的信号处理方法，改善流量计抗噪性能及小流量时计量性能，对流体振动式流量计极为重要。目前，流体振动式流量计采用的信号处理方法可分为模拟信号处理和数字信号处理两种。
传统的模拟信号处理一般由硬件电路来实现，即流量传感器测得的信号经过电路的放大、滤波、限幅、整形后，将脉冲信号送入微处理器进行计数，从而获得被测介质的瞬时和累计流量。用硬件电路计算频率，实时性好，但是对外界振动干扰敏感，机械振动和流场干扰使信号幅值变化很大，可能导致误触发或丢步现象，造成测量误差，而在流量小的低频段，这一问题尤为突出。因此，人们一般通过规定下限截止频率，限制量程比来解决此问题，但这样就提高了流量计计量的下限，导致量程比较小。
近些年来，人们开始尝试用数字信号处理代替硬件电路来解决上述问题。数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰性强、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。目前，用于流体振动式流量计的数字信号处理方法主要有互相关法、谱分析法、小波变换法等。其中应用的较多的是谱分析的方法，它能够从含有噪声的信号中提取有效振动信号的主频率。然而，现有FFT功率谱分析方法中都采用单一的采样频率，由于信号频率未知，采样频率一般根据香农定理，设定为2倍最大流量对应信号频率值。同时，为满足流量计电池供电的要求，又需采用低功耗单片机进行FFT功率谱分析，而非功耗较大的DSP，单片机有限的存储空间限制了采样点数。因此，现有数字信号处理方法虽有效解决了抗噪问题，改善了流量计重复性，但受单片机有限的存储空间限制，低流速时较大的采样频率、较低的采样点数将使频率分辨率无法达到要求，从而引起测量误差，导致流量计小流量测量性能仍不令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，将带有噪声的一次传感器输出信号S1输入信号处理模块，经信号处理模块对一次传感器输出信号S1进行自适应FFT功率谱分析处理后，输出去噪后的有效振动脉冲信号S3，提供给流量计二次仪表用于流量计算，以提高流量计抗噪性能并降低测量下限。
所述信号处理模块由用于模拟信号处理的硬件电路与用于数字信号处理的单片机组成，一次传感器输出信号S1分两路进入信号处理模块，一路经过硬件电路，对信号进行放大、滤波、限幅及整形的模拟信号处理，预判振动信号频率范围，单片机以此为依据实现采样频率的自适应调整，以合适的采样频率对另外一路直接进入单片机的一次传感器输出信号S1进行采样，进而通过FFT功率谱分析输出最终用于计算流量的有效振动脉冲。
所述采用自适应的FFT功率谱分析方法，单片机根据模拟处理结果判断信号频率所处范围，进而与预设的分段频率进行比较，选取与之匹配的采样频率并对原始振动信号进行采样，使FFT功率谱分析时信号采样频率可根据信号频率进行自行调整，而非单一固定的采样频率，可在不发生频率混叠的同时保证频率分辨率要求。
所述信号处理模块还具备使能端口，在流量计测量时，流量计二次仪表通过使能端口C1唤醒信号处理模块进入工作状态，测量结束后，信号处理模块自动进入低功耗休眠状态，以此实现信号处理模块在低功耗流量计中的应用。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
避免了硬件电路模拟信号处理存在的丢步与误触发现象，并克服了传统单一采样频率FFT功率谱分析方法不能同时适用于高低频计量的弊端，以自适应的方式寻找合理的采样频率，提高了低频时的频率分辨率，可有效改善流量计测量精度并降低计量下限，适用于流体振动式流量计，尤其适用于电池供电的流体振动式流量计。
附图说明
图1是模块结构及信号流程图。
图2是模块软件工作流程图。
图3是信号示意图。
图中：1、流量计一次传感器，2、信号处理模块，3、流量计二次仪表，①、前置放大电路，②、滤波电路，③、限幅电路，④、整形电路，⑤、单片机，S1、一次传感器输出信号，S2、模拟信号处理后信号，S3、有效振动脉冲信号，C1、使能端口
具体实施方式
如图1所示，信号处理模块2介于流量计一次传感器1与流量计二次仪表3之间，以带有噪声的一次传感器输出信号S1为输入，输出去噪后的有效振动脉冲S3，提供给流量计二次仪表3用于流量计算。信号处理模块2内部采用模拟信号处理与数字信号处理相结合的方式。一次传感器输出信号S1分两路进入信号处理模块2，其中一路经过由前置放大电路①、滤波电路②、限幅电路③及整形电路④组成的硬件电路进行模拟处理，最后模拟信号处理后信号S2进入单片机⑤。单片机⑤内部存有数字信号处理程序，并已将信号频率划分为几个频段，给出了每个频段信号合适的采样频率值。单片机⑤根据模拟信号处理后信号S2预判信号频率范围，并根据所处频段选定合适的采样频率值。同时，另一路一次传感器输出信号S1被直接引到单片机⑤的A/D输入端口，单片机⑤以选定的采样频率对一次传感器输出信号S1进行采样，并以FFT功率谱分析方式实现数字信号处理，获得准确的有效振动信号频率。最终，单片机⑤输出有效振动脉冲S3给流量计二次仪表3，用于计算流量。
上述处理过程中，采样频率分段是通过考虑香农采样定理和频率分辨率要求来设定的。假设模拟信号处理后信号S2频率为Fv，单片机⑤根据此频率Fv选择下一次AD采样的采样频率f，选择的依据为Fv大于f的1/8，但是不超过f的1/4，这样便可在保证不发生混叠的情况下满足分辨率要求。以输出频率范围为0～2048Hz的流量计为例：若按照传统FFT功率谱分析信号处理方法选用单一采样频率，则采样频率必须大于4096Hz，在采样点数为1024时，分辨率只有4Hz，对于32Hz的低频信号，误差将达到12.5％，严重影响了低频时的测量精确度；若按照本发明自适应FFT功率谱分析信号处理方法将采样频率分段，32Hz时选取128Hz的采样频率，则分辨率可达到0.125Hz，误差大幅减小，大大提高低频时测量精度。完成采样频率的自适应调整后，单片机⑤根据调整后的采样频率f对信号进行FFT功率谱分析，从中提取出信号主频率F。其中，FFT功率谱分析算法使用较多的是针对采样点数N等于2的整数次幂的算法，“基”数越大，运算的次数越少，但是当“基”数大于4后，运算次数的减少不再明显，本发明中采用基于频率采样(DIF)的基2算法。
上述信号处理过程中的信号示意图如图2所示，一次传感器输出信号S1由有效振动信号与噪声信号合成。模拟信号处理后信号S2通常存在误触发与丢步现象，若采用传统的模拟信号处理方法，则这些现象在常规流量时将影响测量重复性，在小流量时则影响更大，使得人们不得不提高流量计计量下限。但本发明中，模拟信号处理后信号S2只是用于预判频率范围，为后续数字信号处理选择合适的采样频率提供依据，无需很高的精度。用于计算流量有效振动信号频率则是单片机通过内部的数字信号处理程序得到，并以图中所示有效振动脉冲S3的方式给出。
最后，由于现有流体振动式流量计多采用电池供电，因此本发明信号处理模块也需具备低功耗的特点，以避免由于信号处理模块的加入过多地增加流量计功耗。模块中前置放大电路①、滤波电路②、限幅电路③、整形电路④及单片机⑤都选用低功耗的CMOS器件。此外，模块2提供使能端口C1，使得流量计二次仪表3能通过端口C1控制模块2的工作时序，以降低模块2的平均功耗。如图3所示，在不测量时，整个模块2都处于低功耗的休眠模式，只有当需要测量时，二次仪表2才通过端口C1唤醒模块2进行自适应FFT功率谱信号处理。
Claims (3)
1.一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法，信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，将带有噪声的一次传感器输出信号S1输入信号处理模块，经信号处理模块对一次传感器输出信号S1进行自适应FFT功率谱分析处理后，输出去噪后的有效振动脉冲信号S3，提供给流量计二次仪表用于流量计算，以提高流量计抗噪性能并降低测量下限；其特征在于：
所述信号处理模块由用于模拟信号处理的硬件电路与用于数字信号处理的单片机组成，一次传感器输出信号S1分两路进入信号处理模块，一路经过硬件电路，对信号进行放大、滤波、限幅及整形的模拟信号处理，预判振动信号频率范围，单片机以此为依据实现采样频率的自适应调整，以合适的采样频率对另外一路直接进入单片机的一次传感器输出信号S1进行采样，进而通过FFT功率谱分析输出最终用于计算流量的有效振动脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法，其特征在于：单片机根据模拟信号处理结果判断振动信号频率所处范围，进而与预设的分段频率进行比较，选取与之匹配的采样频率并对一次传感器输出信号S1进行采样，使FFT功率谱分析时信号采样频率根据振动信号频率进行自行调整，而非单一固定的采样频率，在不发生频率混叠的同时保证频率分辨率要求。
3.根据权利要求1所述的一种流体振动式流量计自适应FFT功率谱分析信号处理方法，其特征在于：所述信号处理模块还具备使能端口，在流量计测量时，流量计二次仪表通过使能端口C1唤醒信号处理模块进入工作状态，测量结束后，信号处理模块自动进入低功耗休眠状态，以此实现信号处理模块在低功耗流量计中的应用。
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