CN102322940B - 基于随机能量共振的涡街频率检测方法 - Google Patents

基于随机能量共振的涡街频率检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于随机能量共振的涡街频率检测方法。该方法将涡街信号经变尺度方法变换后输入双稳系统，通过调节参考信号的频率，分析一个周期内涡街信号对双稳系统所作功的大小，共振曲线随参考信号的频率将出现非单调的变化过程，共振峰所对应的参考信号频率即为被测涡街信号的频率。与传统的基于随机共振的检测方法相比，该方法不仅考虑了双稳系统输出信号幅值的影响，同时也考虑了双稳系统输出信号相位的影响，因此更具有完整性。该方法为提高涡街流量计现场适应性及弱涡街流量信号频率检测提供了一种新的方法。

Description

基于随机能量共振的涡街频率检测方法
技术领域
本发明涉及一种在涡街流量计中使用的涡街信号处理方法，尤其涉及一种基于随机能量共振的涡街频率检测方法。
背景技术
涡街流量计是上世纪60年代末期发展起来的一种流量计，它利用流体振动原理来进行流量测量，具有仪表内无机械可动部件、介质适应性宽、压力损失小以及输出频率脉冲信号等优点，在工业生产中广泛用于液体、气体和蒸汽的测量。但是，由于流体模型本身的复杂性以及它易受管道振动等干扰而无法保证现场测量精度,测量小流量困难。 由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而且当流量小时，涡街传感器的输出信号比较微弱，易被噪声淹没，使得小流量信号失真，量程下限受限。在涡街信号处理方面，利用现代信号处理方法对涡街流量计信号进行处理，从含有噪声的信号中准确提取涡街频率，以提高测量精度，是当前涡街流量计的研究热点之一。采用的方法大多利用信号与噪声特性上的差异，通过数学变换方法来削弱噪声，提取有用信号，不存在噪声与信号能量转换的物理机制，因而难以放大强噪声中的弱信号。其次，涡街流量计的输出信号由两部分组成：一是由管道中流体流过涡街发生体产生的正弦涡街信号；二是由各种干扰引起的噪声信号，如管道振动，湍流脉动，及工业现场其他设备的干扰等。所有这些噪声都会引起现场测量信号信噪比降低，当干扰严重或在小流量测量时，甚至无法正确测得涡街频率，影响了涡街流量计的正常使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于随机能量共振的涡街频率检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于随机能量共振的涡街频率检测方法，具体步骤如下：
（1）利用信号采集系统采集涡街信号；
（2）将涡街信号经变尺度方法变换为小频率信号；
（3）将变尺度后的涡街信号作用到双稳系统，分析一个周期内涡街信号对双稳系统所作的功随参考信号频率变化的曲线图，捕捉特征频率，按频率压缩尺度比恢复实测涡街信号的采集尺度。 
本发明的有益效果是，本发明基于随机能量共振的涡街频率检测方法为提高涡街流量计现场适应性及弱涡街流量信号频率检测提供了一种新的方法。与传统的基于随机共振的检测方法相比，本发明不仅考虑了双稳系统输出信号幅值的影响，同时也考虑了双稳系统输出信号相位的影响，因此更具有完整性。同时，该方法也适用于其它领域涉及强噪声中的微弱信号检测，可拓宽随机共振的应用，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为水管路信号采集装置的实验框图；
图2为随机能量共振的频率检测原理框图；
图3为采集流量为13.2 m3/h时，涡街信号的时频图；
图4为采集流量为13.2 m3/h时，涡街信号对系统所作的功随频率变化的曲线；
图5为采集流量为68.7 m3/h时，涡街信号的时频图；
图6为采集流量为68.7 m3/h时，涡街信号对系统所作的功随频率变化的曲线。
具体实施方式
本发明的原理是：将涡街信号经变尺度方法变换后输入双稳系统，通过调节参考信号的频率，分析一个周期内涡街信号对双稳系统所作功的大小，共振曲线随参考信号的频率将出现非单调的变化过程，共振峰所对应的参考信号频率即为被测涡街信号的频率。
本发明基于随机能量共振的涡街频率检测方法，具体步骤如下：
1、利用信号采集系统采集涡街信号
选用口径为50mm的涡街流量计，信号采集装置为一循环的水管路，如图1所示。水稳压罐为管路提供恒定的水压，使实验时流量稳定，减弱或消除工作装置如水泵等带来的振动干扰。水稳压罐体积为1m3，压力范围为0.2~0.4MPa，水流量的大小由调节阀来调节，流量范围为3~20m3/h。电磁流量计是作为标准流量表给出进入实验段的水的标准流量值，选用的是上海光华爱尔美特FIM4080K型，流量范围0~20m3/h小。整个实验装置经过浙江省质量技术监督检测研究院的标定检测，标准表法装置的总误差0.5%。
利用差压测量方法，从涡街流量计的管壁取得差压信号，经差压传感器（keellr的PD23系列的扩散硅压阻式差压传感器）转化为电流信号。然后经过电流电压转换电路，转化为电压信号。最后经数字示波器进行采样（实际采样频率为                                               ）、观察并保存实测数据，该电压信号即为采集到的涡街信号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
2、将涡街信号经变尺度方法变换为小频率信号；
根据频率压缩尺度比
Figure DEST_PATH_IMAGE006
定义压缩采样频率，其中
Figure 889669DEST_PATH_IMAGE006
为频率压缩尺度比。则采集到的涡街信号
Figure 281336DEST_PATH_IMAGE004
中的每一频率成分均按频率压缩尺度比
Figure 604870DEST_PATH_IMAGE006
进行线性压缩，从而满足随机共振的绝热近似理论，即输入信号为小频率信号。
3、将变尺度后的涡街信号作用到双稳系统，分析一个周期内涡街信号对系统所作功，寻找功的极值所对应的频率点，按频率压缩尺度比恢复实测涡街信号的频率；
一个周期内涡街信号对系统所作的功为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为参考信号的频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为计算的初始时间，为计算的次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为归一化幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为双稳系统的输出。双稳系统的势函数可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，其中和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
均为系统的结构参数。
取参考信号的频率为
Figure 630072DEST_PATH_IMAGE012
，将变尺度后的涡街信号作用到双稳系统，分析一个周期内涡街信号对系统所作的功随
Figure 748070DEST_PATH_IMAGE012
的变化曲线。通过调节参考信号频率
Figure 629963DEST_PATH_IMAGE012
，涡街信号对双稳系统所作的功随
Figure 491608DEST_PATH_IMAGE012
的增大先增大后减小，曲线上出现了一个峰值。确定曲线峰值即功的极值所对应的频率点，按频率压缩尺度比
Figure 139627DEST_PATH_IMAGE006
恢复，即可得到涡街信号的频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。
实施例
以下通过实例对本发明内容做进一步解释。用该方法对涡街流量计输出信号进行处理，以流量13.2 m3/h和流量68.7 m3/h为例，采样频率为Hz。图2所示是流量为13.2m3/h的涡街信号的时频图，由图2无法分辨出涡街信号中的周期成分。设定系统结构参数，，频率压缩尺度比，压缩采样频率为。混合信号经压缩尺度比
Figure 572401DEST_PATH_IMAGE036
线性压缩之后作用到双稳系统，一个周期内涡街信号对系统所作的功如图3所示。当调节参考信号的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，涡街信号所作的功
Figure DEST_PATH_IMAGE042
出现了非常敏感的变化，随
Figure 590615DEST_PATH_IMAGE040
的增大呈现出非单调的峰值变化。在频率
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Hz处，涡街信号所作的功
Figure DEST_PATH_IMAGE046
取极大值。经频率尺度还原有Hz，该频率即为涡街信号的频率。
另取流量为68.7m3/h的一组涡街信号，图4所示为获得数据的时域图和频谱图，从图中无法分辨出周期成分。取频率压缩比为
Figure 735551DEST_PATH_IMAGE036
，则采样频率变为
Figure 195351DEST_PATH_IMAGE038
。设非线系统的结构参数为，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，将数据送入双稳系统中，得到涡街信号对系统作功随频率变化的曲线，如图4所示。可以看到，当频率
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Hz时，涡街信号所作的功
Figure 425738DEST_PATH_IMAGE046
取极大值。将测得的信号频率经尺度还原后得到涡街信号的频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
Hz。

Claims (3)

1.一种基于随机能量共振的涡街频率检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）利用信号采集系统采集涡街信号；
（2）将涡街信号经变尺度方法变换为小频率信号；
（3）将变尺度后的涡街信号作用到双稳系统，分析一个周期内涡街信号对双稳系统所作的功随参考信号频率变化的曲线图，捕捉特征频率，按频率压缩尺度比恢复实测涡街信号的采集尺度；具体实现如下：一个周期内涡街信号对系统所作的功为
Figure FDA00002814164500011
其中f为参考信号的频率，t0为计算的初始时间，n为计算的次数，A为归一化幅值，x(t)为双稳系统的输出；将变尺度后的涡街信号作用到双稳系统，分析一个周期内涡街信号对系统所作的功随f的变化曲线；通过调节参考信号频率f，涡街信号对双稳系统所作的功随f的增大先增大后减小，曲线上出现了一个峰值；根据峰值所对应的频率即可测定涡街信号的频率，最后按频率压缩尺度比R恢复信号特征频率为f0＝fr·R。
2.根据权利要求1所述的基于随机能量共振的涡街频率检测方法，其特征是，所述步骤（1），具体实现如下：在涡街流量计涡街发生体附近上游打2个取压孔，下游打3个取压孔；从管壁取得的差压信号经差压传感器转化为电信号，然后经数字示波器进行采样、观察并保存测量数据。
3.根据权利要求1所述的基于随机能量共振的涡街频率检测方法，其特征是，所述步骤（2），具体实现如下：根据频率压缩尺度比R定义压缩采样频率fsr＝fs/R，fs为涡街信号的实际采样频率；由压缩采样频率得到数值计算步长为Δt=1/fsr，使得涡街信号的每一频率成分，即涡街特征频率f0，按频率压缩尺度比R线性压缩，从而涡街信号的特征频率压缩为fr＝f0/R，使之满足随机共振的绝热近似理论，即输入信号为小频率信号。
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差压式涡街质量流量计取压位置的研究;黄咏梅等;《仪器仪表学报》;20070930;第28卷(第9期);全文 *
黄咏梅等.差压式涡街质量流量计取压位置的研究.《仪器仪表学报》.2007,第28卷(第9期),全文.

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