CN101701834B - 基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量检测领域，为一种以单片机(MCU)为核心、基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计，采用频域相减和计算频率方差相结合的方法计算瞬时频率，根据现场的不同情况来进行切换，判断出流量信息和振动噪声，提取出流量信息，即使在涡街流量信号能量小于噪声能量时，仍然能够得到准确的涡街流量信号频率，从而排除强噪声的干扰，确保现场测量精度。

Description

基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种涡街流量计，特别是一种以单片机(MCU)为核心、基于双传感器的抗强干扰数字涡街流量计。

背景技术

涡街流量计应用于工业现场测量时，由于管道与水泵、阀门和电动机等设备相连，所以，流量计常常受到机械振动的干扰。在有些情况下，机械振动噪声的能量比较大，有时甚至大于涡街流量信号的能量，并且其频率在涡街流量信号频率范围内。针对这种情况，采用通常的频谱分析很难从噪声中提取涡街流量信息，因为通常频谱分析的前提是流量信号的能量要大于噪声能量。为此，中国发明专利公布了一种抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统(徐科军，朱志海，刘三山，姜鹏.抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统，申请发明专利，200910116107.1，申请日：2009.1.21.)。考虑到当现场设备和管道安装好之后，振动的频率就固定下来了这个实际情况，该发明专利提出以下方案来解决此问题：(1)采集涡街传感器的信号进行频谱分析，根据涡街流量信号是宽带信号和固定振动信号是窄带信号的特点，以及现场设备的有关参数，例如电机的转速等，确定出管道的固定干扰频率；(2)根据固定干扰频率，设计陷波滤波器，以陷掉固定干扰信号。但是，在有些情况下，振动干扰频率是变化的，这种信号处理方法就不适用了。为此，中国发明专利公布了一种以单片机(MCU)为核心、基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统(徐科军，罗清林，王刚，刘三山，康一波，石磊，徐银江.基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统，申请发明专利，200910144877.7，申请日：2009.9.8.)。涡街流量信号和机械振动噪声具有不同的频率带宽特征，而自相关函数可以反映出信号的带宽特征。通过对涡街流量传感器的输出信号进行频谱分析、带通滤波和自相关计算，确定涡街流量信号的频率。

国外SCHLATTER，Gerald，L.提出在建立噪声模板和信号模板的基础上，用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除涡街流量计中的强噪声(“Signal processing method andapparatus for flowmeter“，WO 90/04230，19 April 1990)。但是，噪声情况各种各样，不易获得噪声的所有模板。并且，专利没有说明如何建立信号和噪声的模板。

发明内容

本发明专利的技术方案是：采用双涡街流量传感器，通过适当的安装，使其中一个传感器感受流量信号和振动噪声(以下简称流量传感器)，另一个传感器感受振动噪声和微弱的流量信号(以下简称振动传感器)。采用频域相减和计算频率方差相结合的算法，根据现场的不同情况来进行切换。首先通过基于快速傅里叶变换(FFT)的幅值谱分析，计算两个传感器输出信号中幅值谱峰值的个数。当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数减去振动传感器的个数大于或等于1时，认为有流量且其频率与振动频率不同，此时，采用频域相减的方法；当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数与振动传感器的个数相等时，此时会有两种情况：(1)只有振动；(2)流量与振动为同一个频率。当只有振动时，仪表应该只输出0；当流量与振动为同一个频率时，仪表应该输出流量的频率。为了区别这两种情况，本发明专利提出计算频率方差的方法。该算法的原理是：管道内流动介质的紊流、脉动以及流场的不稳定对旋涡发生体施加了不规则的附加作用，使得涡街流量信号的实际频率在理想频率的左右摆动。而机械振动噪声是由水泵、风机等设备的机械外力引起的，在实际中，其频率基本不变。所以，当只有振动时，其频率的方差比较小；当流量与振动为同一个频率时，传感器的输出信号是两种共同作用的结果，所以，频率的跳动会比较大，方差也就比较大。通过设定适当的阈值，就可以将这两种情况区别开来。

本发明专利的优点是：采用两个传感器，采用频域相减和计算频率方差相结合的方法，判断出流量信息和振动噪声，提取出流量信息，即使在涡街流量信号能量小于噪声能量时，仍然能够得到准确的涡街流量信号频率，从而排除强噪声的干扰，确保现场测量精度。

附图说明

图1是双传感器安装主视图。

图2是双传感器安装侧视图。

图3是系统硬件结构框图。

图4是系统软件结构框图。

图5是主监控程序流程图。

图6是算法流程图。

图7是流量与振动频率不同时的流量传感器频谱图。

图8是流量与振动频率不同时的振动传感器频谱图。

图9是频域相减流程图。

图10信号个数一样时的流量传感器频谱图。

图11信号个数一样时的振动传感器频谱图。

图12计算频率方差流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：在工业现场，涡街流量传感器的输出信号中常常既含有涡街流量信号又含有机械振动噪声，当机械振动噪声信号的能量大于涡街流量信号的能量时，采用以往的数字信号处理方法无法得出正确的测量结果。采用双传感器，同时采用频域相减和计算频率方差相结合的算法，来消除其对流量计的影响。当测量流量时，一个传感器感受流量信号和振动噪声(以下简称流量传感器)，另一个传感器感受振动噪声和微弱的流量信号(以下简称振动传感器)。这两个传感器是通过连杆相连接的，只是流量传感器位于流量管中，而振动传感器位于管道的上方。双传感器安装的主视图和侧视图如图1和图2所示，图中所示手柄1，表体2，三角柱3，石墨垫4，探头5。

本发明系统的总体结构如图3所示。本发明系统由流量传感器、振动传感器、模拟输入模块、模拟输出模块、单片机系统、脉冲输出模块、与外部单片机(MCU)通信的通信模块、人机接口模块、电源模块和外部看门狗组成。

其中，模拟输入模块包括电荷放大器、限幅放大器、低通滤波和跟随器、电荷放大器、限幅放大器、低通滤波和跟随器；模拟输出模块包括光耦、数模转换器(DAC)和4～20mA输出电路；单片机模块包括单片机MSP430F5418、复位电路、欠压监测电路、铁电存储器；脉冲输出模块包括光耦和整形电路；与外部MCU通信的通信模块包括通信模块、光耦、整形电路和外部单片机；人机接口模块包括按键输入和液晶(LCD)显示电路；电源模块包括隔离和非隔离直流-直流变换器(DC-DC)、低压差线性稳压器(LDO)。

本发明系统的基本工作过程为：流量传感器信号和振动传感器信号分别通过模拟信号输入及调理模块，适当放大、低通滤波去掉高频分量后，送入模数转换器(ADC)，完成信号的采样；数字信号处理模块用算法对采样的信号进行分析处理，得到流量值；最后，系统将流量测量结果通过电流、脉冲向外发送，或者通过通信模块将流量信息传递给外部单片机(MCU)。

本发明专利的软件总体框图如图4所示。系统软件开发采取模块化设计方案，将子程序组成功能模块，由主监控程序和中断服务程序统一调用。本系统基本功能模块包括：主监控模块、中断模块、看门狗模块、铁电操作模块、人机接口模块、初始化模块、计算模块和输出模块。

本发明专利的主监控程序流程如图5所示。主监控程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现仪表所要求的功能。它是一个死循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不断计算和处理的循环中。基本过程为：系统上电后，立即进行初始化；初始化后，调用计算模块，采用信号处理算法对采样序列进行处理，计算出涡街频率；然后，根据所设定的仪表系数，计算瞬时流量和累积流量；接着进行LCD刷新；接下来调用系统输出模块，根据计算出的瞬时流量，向外发送标准的4～20mA的电流和输出流量对应的脉冲；输出完成后，主监控程序将返回，重新开始进行新的循环。

本发明专利的算法具体流程如图6所示。当系统初始化完成之后，就进入了计算模块。计算模块中采用频域相减和计算频率方差相结合的方法计算瞬时频率，根据现场的不同情况来进行切换。通常我们设置一个幅值的截止值和一个频率的截止值，即当传感器输出信号经过电荷放大器后的幅值小于这个值时，我们认为这个信号是噪声；同理，当传感器输出信号的频率小于截止频率时，我们也认为这个信号为噪声。在计算两个传感器输出信号中幅值谱峰值个数时，若截止幅值设得太高，则可能测不到小流量；若截止幅值设得太低，则可能会将一些干扰误认为信号，造成算法选择失误。为此，本发明专利不仅设置截止幅值、截止频率，还设定动态的幅值阈值。由于涡街流量传感器输出频率与幅值近似于平方关系，所以，每个频率所对应的幅值可以推算出来。但是在实际中，幅值跳动比较大。所以，设定每个频率所对应的幅值的一半为幅值的阈值，以便能够检测到小流量信号，并且可以排除干扰。

在测量之前，通过正常情况下的标定实验(无振动噪声)，根据频率与幅值之间对应的数据，用Matlab拟合出频率与幅值的阈值之间的关系式，如式(1)所示。

Y＝AX²+BX+C    (1)

式中，系数A、B、C为常量，X为频率，Y为幅值的阈值。即在测量之前，将系数A、B、C求出来；同时，确定截止幅值和截止频率。注意，流量传感器与振动传感器均是用式(1)，且幅值的阈值在对应频率点是相同的。

在测量中，首先要确定流量传感器输出信号中存在的不同频率信号的个数。对于流量传感器，根据频谱分析得到的频率，通过式(1)计算出相应频率点处幅值的阈值。然后，用计算出来的幅值谱的峰值与截止幅值、幅值谱的峰值与幅值的阈值、频率与截止频率相比较，只有当这三者的比较结果同时为大于时，才能算作一个峰值，即才算作存在一个频率的信号。当振动强度过大或者流量比较大时，容易使流量传感器输出信号幅值饱和。饱和时，谐波频率约为基波频率的3、5、7倍等，谐波幅值最大为基波幅值的1/3、1/5、1/7倍等；而根据频率与幅值的阈值的关系式，频率越高，幅值的阈值越大，而饱和时谐波幅值最大为基波幅值的1/3，所以，当谐波的幅值小于幅值的阈值时就可以排除谐波的干扰。

其次，要确定振动传感器输出信号中存在的不同频率信号的个数。由于已经对流量传感器输出信号进行了频谱分析，所以，已经得知了流量传感器信号中不同频率信号的个数，所以，只需要判断振动传感器在这些频率点处是否存在信号。由于振动传感器也可以感受到微弱的流量信号，如果只与截止幅值相比较，可能会认为有信号，这可能造成算法选择的失误；但是，设定幅值的阈值后，由于其幅值均小于阈值，就认为没有信号，这样就保证了算法选择的正确。

因此，设定幅值的阈值不仅可以排除流量传感器中的干扰，扩大量程比，减小饱和对算法的影响，而且可以避免振动传感器将流量信号作为一个振动信号，从而保证了算法选择的正确性。

再次，比较流量传感器和振动传感器中信号的个数。

当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数减去振动传感器的个数大于或等于1时，认为有流量且其频率与振动频率不同，此时，系统切换到频域相减的方法。两个传感器的幅值谱图如图7和图8所示，其中图7为流量传感器的幅值谱，图8为振动传感器的幅值谱。图中，83.92Hz为噪声频率，79.35Hz为流量频率，此时噪声的幅值已经远远大于涡街流量信号的幅值。频域相减就是用流量传感器的幅值减去噪声传感器的幅值，最大差值所对应的频率就是涡街流量信号的频率。由于制造工艺和结构的原因，两个传感器不可能十分对称，若直接相减会存在误差。为此，系统采用以下方法相减：先算出流量传感器的最大幅值以及对应的频率；再算得振动传感器在该对应频率点处的幅值；然后，计算出流量传感器的最大幅值与振动传感器在该处的幅值之间的比值，将振动传感器所有信号的幅值乘以该比值；最后，计算两者相减的差值，最大值对应的频率就是涡街信号的频率。算法流程如图9所示。图7中噪声幅值为0.08133，流量幅值为0.01225；图8中噪声幅值为0.2057，流量幅值为0.005988。首先，计算出流量传感器最大幅值与所对应频率处振动传感器幅值的比值，0.08133/0.2057＝0.39538；然后，将图8中的噪声幅值乘以该比值，得0.08133，而流量幅值乘以该比值，得0.00236。再将两个传感器对应频率处的幅值相减，结果为：噪声为0，流量信号为0.00989，因为0.00989＞0，所以，选中79.35为流量信号频率。

当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数减去振动传感器的个数等于0时，两个传感器的幅值谱图分别如图10和图11所示，其中，图10为流量传感器的幅值谱图，图11为振动传感器的幅值谱图。此时，无法辨别是否只有噪声还是流量与噪声混合。按照要求，当只有噪声时，仪表应该输出0；而当流量与噪声混合时，仪表应该输出流量频率。如果采用频域相减的方法，无论是只有噪声还是两者混合，都输出79.35Hz，这就给测量带来了误差，即没有流量时仪表仍然在计数，此时，应切换到计算频率方差的方法。

方差是一个刻划取值分散程度的量，方差越小，取值越集中，反之，取值越分散。而频率方差是反映频率分散程度的一个量，由于机械振动噪声信号是由水泵、阀门、鼓风机等机械外力引起的，在实际中的频率基本不变，所以其方差较小，而流量信号与噪声信号叠加时，管道内流动介质的紊流、脉动以及流场的不稳定对旋涡发生体施加了不规则的附加作用，涡街流量信号的实际频率在理想频率的左右摆动，而且传感器输出信号是流量信号与噪声信号共同作用的结果，所以其频率的取值将会比较分散，方差也会较大。假设不同时刻的同一个信号的频率取值为f₁，f₂，...，f_n，其均值为f，则方差的计算公式为：

$D\left(x\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(f_i-\stackrel{\‾}{f})}^2}{n}---\left(2\right)$

根据式(2)计算出频率方差后，再与频率方差阈值比较，当小于等于该阈值时，认为是噪声；当大于该阈值时，认为是流量信号与噪声信号叠加。算法流程如图12所示。频率方差阈值是根据现场实验的数据来确定的。

Claims (4)

1.基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计，由流量传感器、振动传感器、模拟输入模块、模拟输出模块、单片机系统、脉冲输出模块、与外部单片机通信的通信模块、人机接口模块、电源模块、外部看门狗和软件组成，其特征在于：流量传感器信号和振动传感器信号分别通过模拟输入模块，适当放大,再由低通滤波去掉高频分量后，由单片机系统的模数转换器完成信号的采样，并由单片机的计算模块对采样的信号进行分析处理，得到流量值；最后，模拟输出模块和脉冲输出模块分别将流量测量结果通过电流、脉冲向外发送，或者通过通信模块将流量测量值传递给外部单片机；计算模块中采用频域相减和计算频率方差相结合的方法计算瞬时频率；比较流量传感器和振动传感器中信号的个数；当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数减去振动传感器输出信号中频谱峰值的个数大于或等于1时，认为有流量且其频率与振动频率不同，切换到频域相减的方法；当流量传感器输出信号中频谱峰值的个数减去振动传感器输出信号中频谱峰值的个数等于0时，切换到计算频率方差的方法；假设不同时刻的同一个信号的频率取值为f₁，f₂，...，f_n，其均值为

则方差的计算公式为

$D\left(x\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(f_i-\stackrel{\‾}{f})}^2}{n}---\left(1\right)$

根据式（1）计算出频率方差后，再与频率方差阈值比较，当小于等于该阈值时，认为是噪声；当大于该阈值时，认为是流量信号与噪声信号叠加；根据现场实验的数据来确定频率方差阈值；不仅设置截止幅值、截止频率，还设定动态的幅值阈值；由于涡街流量传感器输出频率与幅值近似于平方关系，所以，每个频率所对应的幅值可以推算出来；但是在实际中，幅值跳动比较大；所以，设定每个频率所对应的幅值的一半为幅值的阈值，以便能够检测到小流量信号，并且可以排除干扰。

2.如权利要求1所述的基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计，其特征在于：在测量之前，通过正常情况下的标定实验，根据频率与幅值之间对应的数据，用Matlab计算软件拟合出频率与幅值的阈值之间的关系式，如式(2)所示，

Y＝AX²+BX+C    (2)

式中，系数A、B、C为常量，X为频率，Y为幅值的阈值，即在测量之前，将系数A、B、C求出来；同时，确定截止幅值和截止频率。

3.如权利要求2所述的基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计，其特征在于：在测量中，首先要确定流量传感器输出信号中存在的不同频率信号的个数；对于流量传感器，根据频谱分析得到的频率，通过式(2)计算出相应频率点处幅值的阈值；然后，用计算出来的幅值谱的峰值与截止幅值、幅值谱的峰值与幅值的阈值、频率与截止频率相比较，只有当这三者的比较结果同时为大于时，才能算作一个峰值，即才算作存在一个频率的信号。

4.如权利要求3所述的基于双传感器的抗强干扰的数字涡街流量计，其特征在于：确定振动传感器输出信号中存在的不同频率信号的个数；只需要判断振动传感器在这些频率点处是否存在信号；由于振动传感器也可以感受到微弱的流量信号，如果只与截止幅值相比较，可能会认为有信号，这可能造成算法选择的失误；但是，设定幅值的阈值后，由于其幅值均小于阈值，就认为没有信号，这样就保证了算法选择的正确。

Images