CN104568024B

CN104568024B - 振动式流量计特征信号提取方法

Info

Publication number: CN104568024B
Application number: CN201510029686.1A
Authority: CN
Inventors: 许同乐; 王营博; 陈康; 马金英
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104568024A

Abstract

本申请提出一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计流量特征信号提取方法。通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用三次B样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行MEEMD分解得到若干IMF分量，对IMF分量和原信号进行相关分析，选择有用的IMF分量，最后对IMF分量进行HHT变换，得到流量信号的Hilbert时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征。本方法适用于工业领域管网流体流量的准确、快速计量。

Description

振动式流量计特征信号提取方法

技术领域

本申请提出一种基于改进集总平均经验模态分解（MEEMD）的振动式流量计特征信号提取方法。

背景技术

振动式流量计是供流管网中的计量关键部件，其能否准确、快速计量对整个供流管网有着重要的影响。在管网供流过程中，振动式流量计的涡街流量信号由流速产生的正弦涡街信号和外界干扰引起的噪声信号组成，当流量较大时，信号幅值较大，信噪比较高，由噪声引起的影响不显著；当流量较小时，信号幅值小，信噪比低，流量信号的波形易发生畸变，所以低流速、小流量测量是振动式流量计发展的瓶颈。可是在工业现场应用中振动式流量计需要满足各种或大或小的在线流量监测，所以振动式流量计一旦不能准确计量，短时间内可引起大量的流体不被统计而流过，导致企业损失，甚至造成严重的工业事故。因此，振动式流量计流量信号特征提取在工业应用中有着重要的意义。

目前，国内外主要采用信号分析与处理的方法来实现流体振动式流量计的流量监测和统计。当管网中的流体通过流体振动式流量计的旋涡发生体时，会因卡门涡街原理而在旋涡发生体的两侧产生两列成对的、旋转方向相反的、交替排列的反对称涡旋，伴随旋涡的产生与脱落，在旋涡发生体的周围和下游的流体将产生有规律的振动。在正常供流过程中，这种由卡门涡街原理而引起的振动是周期性的，由于振动而产生的振动信号也会产生周期性的脉冲，该脉冲的频率就是流体振动信号的频率，并且此频率正比于流体通过旋涡发生体时的平均流速。因此，采集振动式流量计的振动信号，并通过适当的方法来提取信号特征，可以间接地保证振动式流量计准确、快速计量。

目前，振动式流量计常用的信号特征提取方法有小波分析法、FFT的经典谱分析法、、基于DSP的信号处理法、周期图谱分析和基于Burg的现代谱分析法等。小波分析法是一种时频分析法，它可以对信号进行全局分析和局部分析，但这取决于小波基的选择，小波基不同，则信号分析的分辨率就不同，并且选择不同的小波基对应着不同的运算复杂度，所以小波分析对信号的分析具有局限性。FFT的经典谱分析法对涡街流量信号进行采集时采用了单一的采样频率，缺少对高低频率同时适应的能力，并且降低下限的作用不明显。基于DSP的信号处理法虽然具有较高的精度而且实时性较好，但功耗较大，不适合野外流量实时采集，需向集成化、低功耗化方向发展。周期图谱分析和基于Burg的现代谱分析法虽然具有较好的仿真效果，但实际应用时计算精度不够、处理速度较慢，也有待向微型化方向发展。

综上所述，振动信号分析是流体振动式流量计流量监测和统计的有效方法。因此，需要研究一种克服以上问题的自适应信号分析方法。本申请提出了一种基于MEEMD的振动式流量计流量信号特征提取方法,能够有效地对振动信号进行分析，并快速的提取信号特征，在解决了低流速、小流量特征信号不便提取的同时，还提高了特征信号采集的实时性和准确性。

发明内容

本申请提出了一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计流量信号特征提取方法，包括传感器布置、信号采集、信号分析和处理、信号特征提取四个模块。通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用三次B样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行MEEMD分解得到若干IMF分量，对IMF分量和原信号进行相关分析，选择有用的IMF分量，最后对IMF分量进行HHT变换，得到流量信号的Hilbert时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征。

MEEMD分解可将流量振动信号分解为一系列具有物理意义的单频率本征模分量IMF之和，IMF分量是在原信号中加入一对幅值和标准差相等、方向相反的白噪声，经EEMD分解后再经过多次EMD分解得到的。MEEMD分解不仅解决了EMD分解中存在的模态混淆问题，还克服了EEMD分解与CEEMD分解中存在的计算量大、模态分裂、白噪声残余等问题。MEEMD中也存在着端点效应、虚假分量等问题，分别采用波形匹配的自适应端点延拓法、互相关分析筛选法进行处理。

流体振动式流量计流量信号特征提取方法的具体步骤如下：

(1) 合理的布置传感器，当管网正常供流时，采集涡流发生体周围的振动信号，如说明书附图2所示；

(2) 采用波形匹配的自适应端点延拓法对信号两端进行延拓,信号的延拓包括左延拓和右延拓，以下仅以左延拓为例，设原始信号为；

1) 确定左端点处的极大值点和极小值点，分别记为、，记从左端点到的距离为L,将这段波形记为；

2) 设为原始信号的极大值的集合，以作为参考点，计算相同长度上波形与匹配度；

3) 设,若<,为一常数，则取处长度为L且包含极大值与极小值的一段子波，作为原始信号的左延拓，延拓完毕，否则转；

4) 在原始信号端点处直接指定极大值点，即取最靠近左端点的两个极大值点的平均值作为极大值点，取最靠近左端点的两个极小值点的平均值作为极小值点；

右端点处的延拓与左端点的延拓类似；

(3) 在MEEMD 分解之前，采用三次B样条插值法拟合包络线，具体步骤如下：

1) 构造三次B样条曲线的方程为：

式中为控制顶点，即原始信号的极值点；为三次规范B样条的基函数，是由节点矢量序列U所决定的三次分段多项式；

2) 确定节点矢量：

设原始信号的极值点为控制顶点，将控制顶点连接构成控制多边形，则控制多边形的边长，边长总长度为。节点矢量可表示为：

为了采用统一的计算方法，符合B样条曲线的局部性质要求，在计算过程中控制多边形的边由相应K条边的和来代替。定义域内节点区间的长度为：

上式中节点矢量表达式分母规范化后可表示为：

K次B样条插值曲线的节点矢量规范化分母为：

由以上分析可知，K次B样条拟合曲线的所有节点值为：

参数化后的节点矢量可表示为：

3) 将节点值代入1)中的方程便可求得三次B样条拟合包络线方程；

(4) 进行MEEMD分解，步骤如下：

MEEMD分解是在原始信号中加入一组幅值和标准差一致、方向相反的白噪声，再重复进行EEMD和EMD分解，以减少EMD分解的模态混淆和EEMD分解的计算量与残余分量；

1) 向原始信号中所加入的白噪声均方根值应接近待分解的内部噪声，或不超过待分解信号均方根值的0.3倍；

2) 设向待分解信号中所加入的绝对值相等、方向相反的一组白噪声为和,分别对其进行EEMD分解：

上式中的和为EEMD分解过程中得到的2组IMFs分量；

3) 取和的平均值：

4) 将以下列的EMD分解方式进行分解：

上式中表示经过EMD分解后得到的IMF分量；表示剩余残余分量的叠加；

5) 经过MEEMD的分解后，原始信号可表示为：

上式中的表示最终得到的IMF分量；表示最终得到的残余分量；

(5) 采用互相关分析筛选法剔除虚假分量。对IMF分量和原信号做相关分析，剔除偏离原始分量程度较大的IMF分量，设两者得到的相关系数为,设阈值为大于1的实数；

当时，保留第i个IMF分量；

当时，剔除第i个IMF分量，并将其加到残余分量部分；

(6) 将MEEMD分解得到的IMF分量进行HHT变换，可以得到Hilbert时频谱与边际谱，通过谱分析可得到瞬时频率f,即为流体振动式流量计流量信号的特征。并且频率f满足以下关系式：

上式中的d为旋涡发生体的宽度；St为斯特劳哈尔系数，与d及流体雷诺数Re有关。再由公式：

上式中A为旋涡发生体的过流截面积；为瞬时流量，为累积流量；由以上各式便可求得流体振动式流量计的瞬时流量和累积流量。

本申请提出的基于改进集总平均模态分解的振动式流量计流量信号特征提取方法，通过对端点效应、包络线拟合和消除虚假分量的处理，可以快速、准确的对原始信号进行特征提取，为振动式流量计流量快速、准确计算提供了强有力的保障，为企业和社会带来了可观的经济效益。

附图说明

图1是振动式流量计流量信号特征提取方法流程图；图2是传感器布置示意图；图3是MEEMD分解流程图。

具体实施方式

附图2中：1.DH-131E 加速度传感器 2.流体流动方向 3.旋涡发生体 4. DH-131E加速度传感器。

1. 信号采集：利用加速度传感器对振动式流量计流量信号进行采集。本申请所用到的加速度传感器为DH-131E IEPE压电式加速度传感器，灵敏度为，量程是，频率范围0.5～10KHz。加速度传感器分布在两轴对称位置，以便更好地反映流体振动式流量计流量信号的振动特性。

2. 采用波形匹配的自适应端点延拓法对信号两端进行延拓,信号的延拓包括左延拓和右延拓，以下仅以左延拓为例，设原始信号为；

右端点处的延拓与左端点的延拓类似。

3. 在MEEMD 分解之前，采用三次B样条插值法拟合包络线，具体步骤如下：

1) 构造三次B样条曲线的方程为：

2) 确定节点矢量：

上式中节点矢量表达式分母规范化后可表示为：

K次B样条插值曲线的节点矢量规范化分母为：

由以上分析可知，K次B样条拟合曲线的所有节点值为：

参数化后的节点矢量可表示为：

3) 将节点值代入1)中的方程便可求得三次B样条拟合包络线方程。

4. 进行MEEMD分解，步骤如下：

1)向原始信号中所加入的白噪声均方根值应接近待分解的内部噪声，或不超过待分解信号均方根值的0.3倍；

2)设向待分解信号中所加入的绝对值相等、方向相反的一组白噪声为和,分别对其进行EEMD分解：

上式中的和为EEMD分解过程中得到的2组IMFs分量；

3)取和的平均值：

4)将以下列的EMD分解方式进行分解：

5)经过MEEMD的分解后，原始信号可表示为：

上式中的表示最终得到的IMF分量；表示最终得到的残余分量。

5. 采用互相关分析筛选法剔除虚假分量。对IMF分量和原信号做相关分析，剔除偏离原始分量程度较大的IMF分量，设两者得到的相关系数为,设阈值为大于1的实数；

当时，保留第i个IMF分量；

当时，剔除第i个IMF分量，并将其加到残余分量部分。

6. 将MEEMD分解得到的IMF分量进行HHT变换，可以得到Hilbert时频谱与边际谱，通过谱分析可得到瞬时频率f,即为流体振动式流量计流量信号的特征。

Claims

1.一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在于通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用三次 B 样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行 MEEMD 分解得到若干 IMF 分量，对 IMF 分量和原信号进行相关分析，选择真实的 IMF 分量，最后对 IMF分量进行 HHT 变换，得到流量信号的 Hilbert 时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征；

流体振动式流量计信号特征提取方法的具体步骤如下：

步骤1：合理的布置传感器；

步骤2：采用波形匹配的自适应端点延拓法对信号两端进行延拓，信号的延拓包括左延拓和右延拓，其中，对信号两端进行左延拓的具体步骤如下：设原始信号为；

步骤2.1：确定左端点处的极大值点和极小值点，分别记为、，记从左端点到的距离为L, 将这段波形记为；

步骤2.2：设为原始信号的极大值的集合，以作为参考点，计算相同长度上波形与匹配度；

步骤2.3：设,若 , 为一常数，则取处长度为 L 且包含极大值与极小值的一段子波，作为原始信号的左延拓，延拓完毕，否则转4)；

步骤2.4：在原始信号端点处直接指定极大值点，即取最靠近左端点的两个极大值点的平均值作为极大值点，取最靠近左端点的两个极小值点的平均值作为极小值点；

步骤3：在 MEEMD 分解之前，采用三次 B 样条插值法拟合包络线，具体步骤如下：

步骤3.1：构造三次 B 样条曲线的方程为：

式中为控制顶点，即原始信号的极值点；为三次规范 B 样条的基函数，是由节点矢量序列 U 所决定的三次分段多项式；

步骤3.2：确定节点矢量：

设原始信号的极值点为控制顶点，将控制顶点连接构成控制多边形，则控制多边形的边长，边长总长度为, 节点矢量可表示为：

为了采用统一的计算方法，符合 B 样条曲线的局部性质要求，在计算过程中控制多边形的边由相应 K 条边的和来代替；定义域内节点区间的长度为：

上式中节点矢量表达式分母规范化后可表示为：

K 次 B 样条插值曲线的节点矢量规范化分母为：

由以上分析可知，K 次 B 样条拟合曲线的所有节点值为：

参数化后的节点矢量可表示为：

步骤3.3：将节点值代入 1) 中的方程便可求得三次 B 样条拟合包络线方程；

步骤4：进行 MEEMD 分解;

MEEMD分解是在原始信号中加入一组幅值和标准差一致、方向相反的白噪声，再重复进行EEMD和EMD分解，以减少EMD分解的模态混淆和EEMD分解的计算量与残余分量；具体步骤如下：

步骤4.1：向原始信号中所加入的白噪声均方根值应接近待分解的内部噪声，或不超过待分解信号均方根值的 0.3 倍；

步骤4.2：设向待分解信号中所加入的绝对值相等、方向相反的一组白噪声为和，分别对其进行 EEMD 分解：

上式中的和为EEMD分解过程中得到的 2 组 IMFs 分量；

步骤4.3：取和的平均值：

步骤4.4：将以下列的 EMD 分解方式进行分解：

上式中表示经过 EMD 分解后得到的 IMF 分量；表示剩余残余分量的叠加；

步骤4.5：经过 MEEMD 的分解后，原始信号可表示为：

上式中的表示最终得到的 IMF 分量；表示最终得到的残余分量；

步骤5：采用互相关分析筛选法剔除虚假分量, 对IMF分量和原信号做相关分析，剔除偏离原始分量程度较大的 IMF 分量，设两者得到的相关系数为, 设阈值，为大于 1的实数；

当时，保留第 i 个 IMF 分量；

当时，剔除第 i 个 IMF 分量，并将其加到残余分量部分；

步骤6：将 MEEMD 分解得到的 IMF 分量进行 HHT 变换，可以得到 Hilbert 时频谱与边际谱，通过谱分析可得到瞬时频率 f, 即为流体振动式流量计流量信号的特征；并且频率 f 满足以下关系式：

上式中的 d 为旋涡发生体的宽度；St 为斯特劳哈尔系数，与 d 及流体雷诺数 Re 有关；

再由公式：

上式中 A 为旋涡发生体的过流截面积；为瞬时流量，为累积流量；由以上各式便能够求得流体振动式流量计的瞬时流量和累积流量。