CN104729591B - 一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法。该方法包括：(1)查找瞬态冲击振动起始点，(2)查找替换数据段，(3)数据替换，(4)频谱分析。具体操作是：通过分段监测涡街流量传感器时域输出信号峰峰值，查找瞬态冲击振动突变点，确定瞬态冲击振动起始点；利用瞬态冲击振动起始点，查找出在本次采样数据中瞬态冲击振动干扰影响最小的数据段，作为替换数据段；利用替换数据段，采用反向镜像的替换方法，对本次采样数据进行替换；对替换后的数据进行频谱分析，在频域幅值谱中，找出具有最大频域幅值的频率点作为涡街流量频率，进而得到流体流量。

Description

一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动的信 号处理方法

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，具体涉及一种以单片机为核心的基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法。

背景技术

涡街流量计是根据卡门(Karman)涡街原理研究生产的，在一定条件下，阻流体后漩涡脱落的频率与流体流速具有特定的比例关系，漩涡脱落频率即为涡街流量频率，因此，直接测量涡街流量频率即可得到流体流速，进而得到流体的体积流量和质量流量。涡街流量计具有无机械可动部件、使用寿命长、测量范围大、适合测量多种介质等优点，被广泛应用于石油、化工、印染，以及城市管道供热、供水、煤气等行业。但是，涡街流量计属于流体振动型流量计，故其对管道的振动非常敏感，在强振动干扰条件下容易造成涡街流量计测量失误。因此，涡街流量计信号处理的难点在于如何从包含强振动干扰噪声的信号中提取出涡街流量信息。

管道的振动干扰可分为周期性正弦振动干扰和瞬态冲击振动干扰。周期性正弦振动干扰主要由电机、气泵、水泵的周期性振动等引起。在该条件下，涡街流量传感器输出信号在时域上为两个不同频率的正弦信号(振动干扰频率和涡街流量频率)的叠加；在频域上存在两个明显的峰值。针对周期性振动干扰，国内外的学者和公司进行了大量的研究，取得了较为丰硕的成果(D.W.Clark,T.Ghaoud.A dual phase locked loop for vortex flowmetering.Flow Measurement and Instrumentation,2003(14):1-11；Lowell A.Kleven,et al.Rapid transfer function determination for a tracking filter.US5942696,1999,8；Warren E.Cook,Adaptive filter with sweep filter analyzer for a vortexflowmeter,US6212975,2001,4；邢娟,张涛,郝松.管道振动对涡街流量计测量影响的试验研究[J].振动与冲击,2009,28(3):112-115；王沁.抗强振型涡街流量计和快速响应型压电式阀门定位器软件研制[D].合肥工业大学,2012:6-26)。而瞬态冲击振动干扰则由管道敲击、阀门开闭、水击冲击、气蚀冲击等造成。在该条件下，管道系统首先受瞬态激振力作用，涡街流量传感器输出信号在时域上发生突变，之后很快衰减至稳定状态；在频域上，可产生多个瞬态冲击振动干扰频率分量，可能存在一个或多个干扰频率分量的能量超过涡街流量信号的能量。国内外针对瞬态冲击振动干扰的研究较少。其中，J.J.Miau等人通过在压电片上添加硅膜和在检测传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器来降低压电传感器对瞬态冲击振动的灵敏度(J.J.Miau,C.C.Hu,J.H.Chou.Response of a vortex flowmeter toimpulsive vibrations[J].Flow Measurement and Instrumentation,2000(11):41-49)；中国计量学院的潘岚等人设计了一种新的悬浮式差动传感器结构以减弱瞬态冲击振动对涡街流量计的影响(潘岚,宋开臣,徐国梁.高抗干扰性能涡街流量计传感器的研究[J].中国计量学院学报,2005,16(4):268-270,278)。以上研究基本是通过改进涡街流量传感器结构来提升涡街流量计抗瞬态冲击振动干扰的能力，并未提出有效的抗瞬态冲击振动的信号处理方法，当出现连续或较强瞬态冲击振动时，仍然会造成涡街流量计测量失误。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法，从而提高在连续低频强瞬态冲击振动干扰条件下涡街流量计的测量精度。

一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法的操作步骤如下：

(1)查找瞬态冲击振动起始点

通过分段监测涡街流量传感器时域输出信号峰峰值，查找瞬态冲击振动突变点，确定瞬态冲击振动起始点；

(2)查找替换数据段

利用瞬态冲击振动起始点，查找出在本次采样数据中瞬态冲击振动干扰影响最小的数据段，作为替换数据段；

(3)数据替换

利用替换数据段，采用反向镜像的替换方法，对本次采样数据进行替换；

(4)频谱分析

对替换后的数据进行频谱分析，在频域幅值谱中，找出具有最大频域幅值的频率点作为涡街流量频率，进而得到流体流量。

具体的技术解决方案如下：

在无流量和小流量条件下，包含强瞬态冲击振动干扰的涡街流量传感器输出信号较为杂乱，在频域上可产生多个频率分量，且产生的频率分量绝大部分落在涡街流量信号的频率范围内，可能有一个或多个频率分量的能量超过涡街流量信号的能量。采用目前常用的涡街流量计数字信号处理方法，如直接频谱分析、数字滤波、频域方差以及自适应陷波滤波等方法(罗清林,徐科军,刘三山.基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计[J].电子测量与仪器学报,2010,24(7):692-697；黄云志,徐科军.基于小波滤波器组的涡街流量计信号处理方法[J].计量学报,2006,27(2):133-136.；Chun-Li Shao,Ke-Jun Xu,Min Fang.Frequency-Variance Based Antistrong Vibration Interference Methodfor Vortex Flow Sensor[J].IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement.2014,63(6):1566-1582；徐科军,王安民.涡街流量计信号估计的适应陷波方法[J].仪器仪表学报,2000,21(2):206-207,214)，都难已直接从频域中提取涡街流量频率。因此，考虑通过时域信号进行数字信号处理并提取涡街流量频率。在时域上，涡街流量传感器输出信号在瞬态冲击振动起始时刻发生突变，之后很快衰减。具体地讲，涡街流量传感器输出信号自瞬态冲击振动起始时刻300点后基本完成衰减。因此，可用远离瞬态冲击振动起始时刻且受瞬态冲击振动影响较小的涡街流量传感器输出信号数据去替换受瞬态冲击振动影响较强的信号数据，从而达到滤除瞬态冲击振动干扰影响的效果。涡街流量传感器抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法的具体处理步骤如下：

(1)查找瞬态冲击振动起始点

首先将采样的2048点的数据分为20段(第1～19段每段102点数据，第20段110点数据)，求出每段数据的最大值点和最小值点之差，作为该段数据的峰峰值。然后，求出相邻两段数据峰峰值的比。若比值大于1.5，表明后一段数据内可能存在瞬态冲击。特殊情况，若第1个比值小于0.6，表明第1段数据内可能存在瞬态冲击。接着，将所有可能存在瞬态冲击振动数据段的前一数据段峰峰值进行平均，所求平均值再增加0.15V作为判断信号突变的阈值，设为Vth。从第一段可能存在瞬态冲击振动的数据段开始，找出该段数据内绝对值大于Vth/2的极值点作为瞬态冲击振动突变点。然后，找出该瞬态冲击振动突变点左边的第二个过零点作为该数据段的瞬态冲击振动起始点。

(2)查找替代数据段

由查找瞬态冲击振动起始点的方法可找出一次采集数据中的所有瞬态冲击振动起始点，设为n点。若n大于等于5，表明在一次数据处理时间内(约1S内)，有5次或5次以上的瞬态冲击振动，此时为强烈的瞬态冲击振动，数据替换的方法不一定能够得出正确的涡街流量频率，因此，对该段数据不予处理，仅将上次处理得到的涡街流量频率作为本次数据处理的涡街流量频率，并进行报警。

若瞬态冲击振动起始点个数n小于5，利用该n点瞬态冲击振动起始点，可将采样数据分为n+1段。第一段数据不包含瞬态冲击振动干扰，从第二段数据开始，每段数据均包含一次瞬态冲击振动干扰。由于瞬态冲击振动干扰衰减很快，在300点采样数据内，瞬态冲击振动干扰已基本衰减完毕。因此，从第二段数据开始，每段数据减去前300点数据，作为可用数据段，第一段数据全部作为可用数据段。

之后比较每段可用数据段长度，找出最长的可用数据段。在该段数据内，瞬态冲击振动干扰衰减的最彻底，影响也最小。为了更有效地利用可用数据段，根据瞬态冲击振动起始点的个数，动态设置替换数据段的长度。然后，找出该可用数据段最后一定长度数据的前后过零点，作为替换数据段的起止点。

(3)数据替换

利用查找到的替换数据段不断向前后两个方向反向镜像复制，替换到本次采样数据的整个区间。

(4)频谱分析

替换后的数据瞬态冲击振动干扰已基本被滤除，可直接进行频谱分析，找出在频域幅值谱中幅值最大的频率点作为涡街流量频率，进而得到流体流量。

附图说明

图1是系统硬件结构框图。

图2是系统软件结构框图。

图3是主监控程序流程图。

图4是计算瞬时频率程序流程图。

图5是当涡街流量传感器输出信号在下降过程中(未过零电压线)发生向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图6是当涡街流量传感器输出信号在下降过程中(未过零电压线)发生向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图7是当涡街流量传感器输出信号在下降过程中(过零电压线)发生向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图8是当涡街流量传感器输出信号在下降过程中(过零电压线)发生向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图9是当涡街流量传感器输出信号在上升过程中(未过零电压线)发生向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图10是当涡街流量传感器输出信号在上升过程中(未过零电压线)发生向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图11是当涡街流量传感器输出信号在上升过程中(过零电压线)发生向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图12是当涡街流量传感器输出信号在上升过程中(过零电压线)发生向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点方法示意图。

图13是查找替换数据段方法示意图。

图14是数据替换前的幅值谱。

图15是数据替换方法示意图。

图16是数据替换后的幅值谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

抗瞬态冲击振动涡街流量计系统硬件结构框图如图1所示。本发明系统硬件由电源管理模块、模拟信号输入调理模块、数字信号处理模块以及输出模块组成。电源管理模块将24V直流电源通过DC/DC转换为3.3V直流电压，然后再经过低压差线性稳压器(LDO)将3.3V直流电压转换为3V直流电压，供外围数字电路以及调理电路所用。模拟信号输入调理电路主要包括电荷放大器、电压放大器、低通滤波器和电压跟随器。数字信号处理模块主要包括MSP430F5418超低功耗单片机、铁电存储器、外部看门狗、欠压监测电路和复位电路。输出模块主要包括LCD显示电路、通信模块电路和4～20mA电流信号输出电路。

涡街流量传感器采用压电式传感器。本发明系统的基本工作过程如下：①上电后，压电式涡街流量传感器将检测到的信号转变为电荷信号输出；②输出电荷信号经电荷放大器、电压放大器、低通滤波器和电压跟随器，转换为合适的电压信号，其中电荷放大器和电压放大器将输出电荷信号适度放大，低通滤波器滤除涡街流量频率范围以外的高频分量；③MSP430F5418单片机利用内部12位ADC采集经模拟信号输入调理模块后的电压信号，将该电压信号转变为数字信号；④MSP430F5418单片机对采集的数据进行数字信号处理，得到涡街流量频率，进而得到介质流量；⑤最后通过输出模块，将得到结果进行LCD显示，或者转换为4～20mA电流信号向外输出，或者通过通信模块上传至外部MCU。

系统软件结构框图如图2所示。本发明系统的软件采用模块化设计方法，主要包括主监控程序、外部中断模块、铁电保护模块、看门狗模块、输出显示模块、初始化模块和数字信号计算模块。

主监控程序流程图如图3所示。在本发明系统的软件结构中，主监控程序起到核心的作用，负责调用其余的模块程序，以实现涡街流量计测量介质流量的功能。首先系统进行初始化，配置各个需要的模块，然后进入主循环，在主循环中，调用具有抗瞬态冲击振动信号处理方法的数字信号处理模块，得到当前的涡街流量瞬时频率，并计算流体流量，之后刷新LCD将当前的涡街流量进行本地显示，完成一次主循环。

计算涡街流量瞬时频率程序流程图如图4所示。首先采样涡街流量传感器输出信号，之后判断是否存在瞬态冲击振动，如果不存在瞬态冲击振动，直接频谱分析得到涡街流量瞬时频率；如果存在瞬态冲击振动，利用抗瞬态冲击振动干扰信号处理方法对采样数据进行替换，然后进行频谱分析得到涡街流量瞬时频率。

(1)查找瞬态冲击振动起始点

经过分析大量从实验现场采集的数据，在瞬态冲击振动干扰条件下，涡街流量传感器输出信号共可分为以下八种情况。利用查找瞬态冲击振动起始点的方法，均能够找出正确的瞬态冲击振动起始点，具体示意图如图5～图12所示。

涡街流量传感器输出信号在下降过程中未过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图5所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极小值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个过零点在瞬态冲击振动起始时刻之后，不可作为瞬态冲击振动起始点。因此，选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由负值向上穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示负值点。

涡街流量传感器输出信号在下降过程中未过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图6所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极大值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个和第二个过零点均在瞬态冲击振动起始时刻之前，均可作为瞬态冲击振动起始点。但是，为了方法的统一，本发明仍选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为该种情况下的瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由正值向下穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示正值点。

涡街流量传感器输出信号在下降过程中过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图7所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极小值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个和第二个过零点均在瞬态冲击振动起始时刻之前，均可作为瞬态冲击振动起始点。但是，为了方法的统一，本发明仍选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为该种情况下的瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由负值向上穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示负值点。

涡街流量传感器输出信号在下降过程中过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图8所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极大值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个过零点在瞬态冲击振动起始时刻之后，不可作为瞬态冲击振动起始点。因此，选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由正值向下穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示正值点。

涡街流量传感器输出信号在上升过程中未过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图9所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极大值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个过零点在瞬态冲击振动起始时刻之后，不可作为瞬态冲击振动起始点。因此，选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由正值向下穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示正值点。

涡街流量传感器输出信号在上升过程中未过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图10所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极小值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个和第二个过零点均在瞬态冲击振动起始时刻之前，均可作为瞬态冲击振动起始点。但是，为了方法的统一，本发明仍选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为该种情况下的瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由负值向上穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示负值点。

涡街流量传感器输出信号在上升过程中过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向上突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图11所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极大值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个和第二个过零点均在瞬态冲击振动起始时刻之前，均可作为瞬态冲击振动起始点。但是，为了方法的统一，本发明仍选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为该种情况下的瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由正值向下穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示正值点。

涡街流量传感器输出信号在上升过程中过零电压线，在瞬态冲击振动起始时刻向下突变时，查找瞬态冲击振动起始点示意图如图12所示。首先通过分段监测时域信号得到判断信号突变的阈值Vth，如图中双箭头所示。之后找出该段可能存在瞬态冲击数据段内第一个极值点绝对值大于Vth/2的点作为瞬态冲击振动突变点，如图中空心三角形所示极小值点。该瞬态冲击振动突变点左边第一个过零点在瞬态冲击振动起始时刻之后，不可作为瞬态冲击振动起始点。因此，选择瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点作为瞬态冲击振动起始点。在瞬态冲击振动突变点左边第二个过零点附近区域内，采样数据由负值向上穿过零电压线，且没有恰好为零点的数据。因此，为了数据替换后衔接处的光滑，本发明将瞬态冲击振动起始点定义为过零电压线的前一点，如图中实心矩形所示负值点。

(2)查找替代数据段

查找替换数据段方法示意图如图13所示。利用查找瞬态冲击振动起始点的方法，可找出一次采样数据中所有的瞬态冲击振动起始点，如图13所示，在本次采样数据中，存在2个瞬态冲击振动起始点，分别为第327点和第1218点。利用这2个瞬态冲击振动起始点可将本次采样数据分为3段，由于第2段和第3段数据中均包含一次瞬态冲击振动干扰，因此，将第2段和第3段数据长度减去300点作为可用数据段。经过以上处理，第1段可用数据段长度327点，第2段可用数据段长度591点，第3段可用数据段长度为530点。第2段可用数据段长度最长，表明瞬态冲击振动干扰衰减的最彻底，影响也最小。然后，根据瞬态冲击振动起始点的个数动态设置替换数据段的长度，瞬态冲击振动起始点个数越少，表明可用数据段越长。因此，可将替换数据段的长度设的更长，以充分利用可用数据段内的数据。瞬态冲击振动起始点个数与替换数据段长度的对应关系如表1所示。在图13所示的采样数据内，存在2个瞬态冲击振动起始点，因此，将第2段可用数据段的最后300点的前后过零点作为替换数据段的起止点，其中，替换数据段的终点为之前查找的第2个瞬态冲击振动起始点，如图13中局部放大区域空心圆圈所示；同样，为了替换数据时衔接处的光滑，本发明将替换数据段的起点定义为过零电压线的后一点，如图13中局部放大区域空心三角形(此处应为空心三角形，表示替换数据段起点)所示。

表1一次采样数据内，瞬态冲击振动起始点个数和替换数据段长度对应表

瞬态冲击振动起始点个数	替换数据段长度
		1	350
2	300
		3	250
4	200

将图13所示涡街流量传感器输出信号的采样数据进行频谱分析，得到数据替换前的频域幅值谱如图14所示。此时，瞬态冲击振动干扰频率分量的频域幅值(93.99Hz,0.1321V)已经超过涡街流量信号的频域幅值(70.8Hz,0.126V)，采用常用的涡街流量计信号处理方法已难以提取出正确的涡街流量频率。

(3)数据替换

数据替换方法示意图如图15所示，首先将替换数据段进行反向(上下颠倒)，然后，将反向后的数据向左右两个方向不断镜像复制替换，直至替换到本次采样数据的整个区间。替换后的数据衔接光滑，接近理想涡街流量传感器输出信号。

(4)频谱分析

对图15所示替换后的数据进行频谱分析，得到替换后数据的频域幅值谱如图16所示，此时瞬态冲击振动干扰已基本被滤除，可提取出正确的涡街流量频率(70.8Hz,0.1361V)。

Claims (3)

1.一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法，实施本方法的系统硬件由电源管理模块、模拟信号输入调理模块、数字信号处理模块以及输出模块组成；电源管理模块将24V直流电源通过DC/DC转换为3.3V直流电压，然后再经过低压差线性稳压器(LDO)将3.3V直流电压转换为3V直流电压，供外围数字电路以及调理电路所用；模拟信号输入调理电路主要包括电荷放大器、电压放大器、低通滤波器和电压跟随器，其中电荷放大器接收涡街流量传感器输入的信号；数字信号处理模块主要包括MSP430F5418超低功耗单片机、铁电存储器、外部看门狗、欠压监测电路和复位电路；输出模块主要包括LCD显示电路、通信模块电路和4~20mA电流信号输出电路；其特征在于本方法的操作步骤如下：

(1)查找瞬态冲击振动起始点

通过分段监测涡街流量传感器时域输出信号峰峰值，查找瞬态冲击振动突变点，确定瞬态冲击振动起始点；

(2)查找替换数据段

利用瞬态冲击振动起始点，查找出在本次采样数据中瞬态冲击振动干扰影响最小的数据段，作为替换数据段；

(3)数据替换

利用替换数据段，采用反向镜像的替换方法，对本次采样数据进行替换；

(4)频谱分析

对替换后的数据进行频谱分析，在频域幅值谱中，找出具有最大频域幅值的频率点作为涡街流量频率，进而得到流体流量。

2.如权利要求1所述的一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法，其特征在于：

在无流量和小流量条件下，包含强瞬态冲击振动干扰的涡街流量传感器输出信号较为杂乱，在频域上可产生多个频率分量，且产生的频率分量绝大部分落在涡街流量信号的频率范围内，有一个或多个频率分量的能量超过涡街流量信号的能量；为此，在时域进行数字信号处理并提取涡街流量频率；在时域上，涡街流量传感器输出信号在瞬态冲击振动起始时刻发生突变，之后很快衰减；具体地讲，涡街流量传感器输出信号自瞬态冲击振动起始时刻300点后基本完成衰减；因此，可用远离瞬态冲击振动起始时刻且受瞬态冲击振动影响较小的涡街流量传感器输出信号数据替换受瞬态冲击振动影响较强的信号数据，从而达到滤除瞬态冲击振动干扰影响的效果；涡街流量传感器抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法的具体处理步骤如下：

查找瞬态冲击振动起始点

首先将采样的2048点的数据分为20段，第1~19段每段102点数据，第20段110点数据；求出每段数据的最大值点和最小值点之差，作为该段数据的峰峰值；然后，求出相邻两段数据峰峰值的比；若比值大于1.5，表明后一段数据内可能存在瞬态冲击；若出现第1个比值小于0.6，表明第1段数据内可能存在瞬态冲击；接着，将所有可能存在瞬态冲击振动数据段的前一数据段峰峰值进行平均，所求平均值再增加0.15V作为判断信号突变的阈值，设为Vth；从第一段可能存在瞬态冲击振动的数据段开始，找出该段数据内绝对值大于Vth/2的极值点作为瞬态冲击振动突变点；然后，找出该瞬态冲击振动突变点左边的第二个过零点作为该数据段的瞬态冲击振动起始点；

查找替代数据段

由查找瞬态冲击振动起始点的方法可找出一次采集数据中的所有瞬态冲击振动起始点，设为n点；若n大于等于5，表明在一次数据处理时间内，有5次或5次以上的瞬态冲击振动，此时为强烈的瞬态冲击振动，数据替换的方法不一定能够得出正确的涡街流量频率，因此，对该段数据不予处理，仅将上次处理得到的涡街流量频率作为本次数据处理的涡街流量频率，并进行报警；

若瞬态冲击振动起始点个数n小于5，利用该n点瞬态冲击振动起始点，可将采样数据分为n+1段；第一段数据不包含瞬态冲击振动干扰，从第二段数据开始，每段数据均包含一次瞬态冲击振动干扰；由于瞬态冲击振动干扰衰减很快，在300点采样数据内，瞬态冲击振动干扰已基本衰减完毕；因此，从第二段数据开始，每段数据减去前300点数据，作为可用数据段，第一段数据全部作为可用数据段；

之后比较每段可用数据段长度，找出最长的可用数据段；在该段数据内，瞬态冲击振动干扰衰减的最彻底，影响也最小；为了更有效地利用可用数据段，根据瞬态冲击振动起始点的个数，动态设置替换数据段的长度；然后，找出该可用数据段最后一定长度数据的前后过零点，作为替换数据段的起止点；

数据替换

首先将替换数据段进行反向(上下颠倒)，然后，将反向后的数据向左右两个方向不断镜像复制替换，直至替换到本次采样数据的整个区间；替换后的数据衔接光滑，接近理想涡街流量传感器输出信号；

频谱分析

替换后的数据瞬态冲击振动干扰已基本被滤除，可直接进行频谱分析，找出在频域幅值谱中幅值最大的频率点作为涡街流量频率，进而得到流体流量。

3.如权利要求2所述的一种基于数据替换的涡街流量计抗低频强瞬态冲击振动信号处理方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述一次数据处理时间为1S。