CN105067048A - 一种抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法，针对分别引出有公有信号线、噪声拾取信号线和流量信号线的涡街流量计探头，其测量方法是在完成流量信号和噪声信号采样以及谱分析后，对谱分析得到的能量谱中的任一峰值进行有效判断，然后进行流量信号有效峰值和噪声信号有效峰值匹配；根据匹配结果选择高频分量比率算法或进行流量信号饱和判断，在流量信号未饱和时，使用能量比值的方法，并将能量比值最大值对应的流量信号频率作为涡街频率；当流量信号饱和时，以流量信号的最大能量峰值对应的频率作为涡街频率。本发明方法应用于涡街流量计，有效提高涡街流量计的抗干扰能力，提高其灵敏度。

Description

一种抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法

技术领域

本发明涉及流量检测技术领域，为一种涡街流量计测量方法，特别是一种采用三线制探头的抗振动干扰的数字化涡街流量计测量方法。

背景技术

涡街流量计作为一种流体振荡型流量计，其不仅可以感受到传感器受到的涡街力，同样会感受到传感器所受到的其它力，如管道传递的振动力、管道流体的冲击力等。这些外界振动力和涡街力叠加在一起，会对涡街信号造成振动噪声干扰。在某些情况下，振动噪声的能量比较大，甚至大于涡街信号的能量，而且振动频率在涡街信号频率范围内。针对此情况，采用常见的时域脉冲计数法或者频域能量最大法均无法得到正确的结果。

中国发明专利CN101701834A是从信号处理角度提出了一种抗强干扰的方法，是采用双传感结构，其中一个传感器感受流量信号和振动噪声即流量传感器，另外一个传感器感受振动噪声和微弱的流量信号即振动传感器，在流量信号计算上使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，判断出流量信号和振动噪声。该方法实现的一个重要环节是拟合出频率与幅值的阈值之间的关系式，但信号幅值不仅仅与频率有关还与介质的密度相关，故拟合的关系式在介质密度发生变化时便不再适用。

为了能够拾取振动和噪声信号，并且能够区别出涡街信号，从而提高涡街流量计的抗干扰能力，提高灵敏度，本申请人在公告号为CN203745009U的实用新型专利申请文献中公开了一种涡街流量计探头，其是在一个探头壳体11中设置压电器件，压电器件是在一个压电芯柱22a上，以一上一下呈“串”字形间隔设置矩形上压电片22b和矩形下压电片22c，在压电芯柱22a的顶端或底端设置配重块33；在压电芯柱22a、矩形上压电片22b和矩形下压电片22c上分别引出公有信号线44a、噪声拾取信号线44b和流量信号线44c，该探头用于拾取振动和噪声信号，以便能够区别出涡街信号，提高涡街流量计的抗干扰能力，提高灵敏度。该实用新型专利公告文本中已经公开了这样的测量原理“测量时将探头置于管道内部，管道内流体通过涡街发生体产生的漩涡信号使得涡街流量计探头下部发生形变，从而在矩形下压电片22c或环形下压电片55c上感生出强的信号，该信号的频率正比与流量；而振动信号则使得涡街流量计探头的上、下压电片或上、下压电环都感生出强的信号，该信号的频率正比与振动信号的频率。因此，涡街流量计的探头的下压电片或下压电环感生的信号的为流量信号与振动信号的复合体，而涡街流量计探头的矩形上压电片或环形上压电环感生的信号则仅为振动信号。其说明书中还公开了通过对矩形上压电片或环形上压电片信号频率的分析，可滤除下压电片或下压电环感生信号中的振动信号，从而得到纯净的流量信号，计算得到精确的流量值。但是该文献中并未给出具体的抗振动干扰的信号处理方法。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法，是针对公告号为CN203745009U的实用新型申请中公开的涡街流量计探头，给出其测量方法，使得其在提高涡街流量计的抗干扰能力以及提高灵敏度上得到具体的应用。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明抗振动干扰的数字化涡街流量计为：设置所述涡街流量计中流量计探头的结构形式是：在一个探头壳体中设置压电器件，所述压电器件是在一个压电芯柱上，以一上一下呈“串”字形间隔设置矩形上压电片和矩形下压电片，在所述压电芯柱的顶端或底端设置配重块；在所述压电芯柱、矩形上压电片和矩形下压电片上分别引出公有信号线、噪声拾取信号线和流量信号线；

本发明抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：对噪声拾取信号线和流量信号线中输出的模拟信号经放大滤波并进行ADC采样，获得采样序列；对于所述采样序列进行FFT傅里叶变换获得信号能量谱；分别对于所述信号能量谱中的峰值信号进行判断，在任一峰值信号M1的能量大于设定的能量阈值M，并且所述峰值信号M1对应的峰值信号频率P1大于设定的频率阈值P时，判断峰值信号M1为有效峰值，分别获得噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12，以及所对应的噪声信号有效峰值频率P11和流量信号有效峰值频率P12；

步骤2：对于所述噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12按如下方法进行匹配：

对于每个流量信号有效峰值频率P12，分别减去各噪声信号有效峰值频率P11，得到频率差绝对值；若其中最小频率差绝对值小于设定的频率差阈值P2，则为获得匹配，否则为不匹配；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为零，则判断为流量计处于无流量状态，输出结果为零，完成测量过程；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1，则判断为流量计中只有涡街信号或者只有振动信号，则继续进入步骤3；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1大于1，判断为有流量且有振动，则继续进入步骤4；

步骤3：按如下步骤采用高频能量比率算法来区别其为涡街信号或者是只有振动信号：

a、设定一频域窗；将所述频域窗在频带内滑动，直至所述频域窗内有频率；

b、在频域窗没有越界的情况下，将所述频域窗在频带内继续滑动，直至频域窗内没有频率，并将频域窗的结束频率作为高频分量的起始频率；

c、计算获得高频分量的能量E1以及整个带宽内的能量E0，计算获得高频分量E1在所述整个带宽内的能量E0中的比率R0；

d、将所述比率R0与设定的比率阈值R1进行比较，若是所述比率R0大于比率阈值R1时，判断为振动噪声；若是比率R0小于或等于比率阈值R1时，判断为涡街信号；

步骤4：首先判断流量信号是否饱和，在流量信号未饱和时，使用能量比值的方法，计算获得相匹配的流量信号有效峰值M12与噪声信号有效峰值M11的能量比值，并将能量比值最大值对应的流量信号频率作为涡街频率；当流量信号饱和时，以流量信号的最大能量峰值对应的频率作为涡街频率。

本发明抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法的特点也在于：所述流量信号是否饱和的判断方法是：

设定采样点数N0，采样频率fs，信号周期T，信号频率f0，对信号的采样时间为tsample为：tsample＝N0/fs，在采样时间内采样的信号周期数N为：N＝tsample/T＝N0*f0/fs，信号每个周期的采样点数k为：k＝fs/f0；

信号饱和时为方波，则每个周期的饱和点数为k/2，因此整个采样时间内的饱和点数Ns为：Ns＝N*k/2＝N0/2；考虑到实际信号的差异，饱和点数Ns取理论值的0.5倍，即为N0/4；当信号采样结束后，若饱和点数Ns大于N0/4，则认为信号饱和。

本发明方法是在信号匹配的基础上，使用高频分量比率算法和能量比值算法进行决策运算，与已有技术相比，其有益效果体现在：

1、本发明为公告号为CN203745009U的实用新型申请中公开的涡街流量计探头提供一种抗振动干扰的测量方法，使得其在提高涡街流量计的抗干扰能力以及提高灵敏度上得到具体的应用。

2、本发明使用信号匹配的方法使得涡街流量计探头的上、下压电片或上、下压电环对流量信号或者噪声信号检测无一致性要求。

3、本发明使用高频分量比率算法能够确保正确区分只有流量或只有振动的情况，提高测量精度。

4、本发明使用能量比值的算法能够提供抗振动干扰能力，即使振动噪声信号能量强于涡街信号能量时，也可以正确筛选出涡街频率。

附图说明

图1为本发明中所涉及的抗振动干扰的数字化涡街流量计探头结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明方法中只有涡街力时的噪声信号频谱图；

图4为本发明方法中只有外界振动时的噪声信号频谱图；

图5为本发明方法中高频分量计算流程图；

图6为本发明方法中多个频率匹配上时的涡街信号的频谱图；

图7为本发明方法中多个频率匹配上时的噪声信号的频谱图；

具体实施方式

参见图1，本实施例中抗振动干扰的数字化涡街流量计探头的结构形式是：在一个探头壳体11中设置压电器件，所述压电器件是在一个压电芯柱22a上，以一上一下呈“串”字形间隔设置矩形上压电片22b和矩形下压电片22c，在所述压电芯柱22a的顶端或底端设置配重块33；在所述压电芯柱22a、矩形上压电片22b和矩形下压电片22c上分别引出公有信号线44a、噪声拾取信号线44b和流量信号线44c；

本实施例中涡街流量计的测量方法是按如下步骤进行：

步骤1：对噪声拾取信号线44b和流量信号线44c中输出的模拟信号经放大滤波并进行ADC采样，获得采样序列；对于所述采样序列进行FFT傅里叶变换获得信号能量谱；由于涡街流量计存在测量下限的问题，需要设置能量阈值M和频率阈值P。当采样信号的能量值小于能量阈值M或者信号的频率小于频率阈值P均认为该信号为噪声。分别对于所述信号能量谱中的峰值信号进行判断，在任一峰值信号M1的能量大于设定的能量阈值M，并且所述峰值信号M1对应的峰值信号频率P1大于设定的频率阈值P时，判断峰值信号M1为有效峰值，分别获得噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12，以及所对应的噪声信号有效峰值频率P11和流量信号有效峰值频率P12。

步骤2：由于制造工艺的不一致，即使同样的涡街力或外界振动力也无法保证在上、下压电片或上、下压电环上产生完全一样的频率，另外非整数周期采样也会对频率测量带来误差。为了消除误差对于所述噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12按如下方法进行匹配：

对于每个流量信号有效峰值频率P12，分别减去各噪声信号有效峰值频率P11，得到频率差绝对值；若其中最小频率差绝对值小于设定的频率差阈值P2，则为获得匹配，否则为不匹配；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为零，则判断为流量计处于无流量状态，输出结果为零，完成测量过程；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1，则判断为流量计中只有涡街信号或者只有振动信号，则继续进入步骤3；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1大于1，判断为有流量且有振动，则继续进入步骤4；

步骤3：由于外界振动力大小是无规则的，振动方向也是多变的，故对传感器产生的力是无规律的，时域信号最终表现为含有丰富的极点，故在频域上的表现为高频分量较多；而涡街力是一种均匀的横向升力，时域信号是比较标准的正弦波，在频域上的反映是峰值单一。图3是只有涡街力时的噪声信号频谱图，图4是只有外界振动时的噪声信号频谱图。从图4可以看出只有振动干扰时频谱图上除了主频率100Hz，还有丰富的高频分量，在340Hz左右、400Hz左右、600Hz左右有峰值。为此采用如图5所示的高频能量比率算法来区别其为涡街信号或者是振动信号，具体步骤如下：

a、设定一频域窗；将所述频域窗在频带内滑动，直至所述频域窗内有频率；

b、在频域窗没有越界的情况下，将所述频域窗在频带内继续滑动，直至频域窗内没有频率，并将频域窗的结束频率作为高频分量的起始频率；

c、计算获得高频分量的能量E1以及整个带宽内的能量E0，计算获得高频分量E1在所述整个带宽内的能量E0中的比率R0；

d、将所述比率R0与设定的比率阈值R1进行比较，若是所述比率R0大于比率阈值R1时，判断为振动噪声；若是比率R0小于或等于比率阈值R1时，判断为涡街信号；

步骤4：首先判断流量信号是否饱和，在流量信号未饱和时，使用能量比值的方法，计算获得相匹配的流量信号有效峰值M12与噪声信号有效峰值M11的能量比值，并将能量比值最大值对应的流量信号频率作为涡街频率。图6为流量信号的频率图，其中振动频率为36.36Hz，能量为60.12，涡街频率为112.5Hz，能量为20.25。图7为噪声信号的频谱图，其中振动频率为36.36Hz，能量为90.53，涡街频率为109.2，能量为4.521。虽然涡街信号在上、下压电片或上、下压电环产生的频率不是完全一致，但由于使用匹配算法则认为两者是同等的。通过所述的计算得到振动频率的能量比值为0.664，涡街频率的能量比值为4.479。由于4.479明显大于0.664，故判定112.5Hz为涡街频率；当流量信号饱和时，以流量信号的最大能量峰值对应的频率作为涡街频率。

本实施例中流量信号是否饱和的判断方法是：

设定采样点数N0，采样频率fs，信号周期T，信号频率f0，对信号的采样时间为tsample为：tsample＝N0/fs，在采样时间内采样的信号周期数N为：N＝tsample/T＝N0*f0/fs，信号每个周期的采样点数k为：k＝fs/f0；

信号饱和时为方波，则每个周期的饱和点数为k/2，因此整个采样时间内的饱和点数Ns为：Ns＝N*k/2＝N0/2；考虑到实际信号的差异，饱和点数Ns取理论值的0.5倍，即为N0/4；当信号采样结束后，若饱和点数Ns大于N0/4，则认为信号饱和。

Claims (2)

1.一种抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法，设置所述涡街流量计中流量计探头的结构形式是：在一个探头壳体(11)中设置压电器件，所述压电器件是在一个压电芯柱(22a)上，以一上一下呈“串”字形间隔设置矩形上压电片(22b)和矩形下压电片(22c)，在所述压电芯柱(22a)的顶端或底端设置配重块(33)；在所述压电芯柱(22a)、矩形上压电片(22b)和矩形下压电片(22c)上分别引出公有信号线(44a)、噪声拾取信号线(44b)和流量信号线(44c)；

其特征是：所述涡街流量计的测量方法是按如下步骤进行：

步骤1：对噪声拾取信号线(44b)和流量信号线(44c)中输出的模拟信号经放大滤波并进行ADC采样，获得采样序列；对于所述采样序列进行FFT傅里叶变换获得信号能量谱；分别对于所述信号能量谱中的峰值信号进行判断，在任一峰值信号M1的能量大于设定的能量阈值M，并且所述峰值信号M1对应的峰值信号频率P1大于设定的频率阈值P时，判断峰值信号M1为有效峰值，分别获得噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12，以及所对应的噪声信号有效峰值频率P11和流量信号有效峰值频率P12；

步骤2：对于所述噪声信号有效峰值M11和流量信号有效峰值M12按如下方法进行匹配：

对于每个流量信号有效峰值频率P12，分别减去各噪声信号有效峰值频率P11，得到频率差绝对值；若其中最小频率差绝对值小于设定的频率差阈值P2，则为获得匹配，否则为不匹配；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为零，则判断为流量计处于无流量状态，输出结果为零，完成测量过程；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1，则判断为流量计中只有涡街信号或者只有振动信号，则继续进入步骤3；

若是获得匹配的峰值信号M1的个数为1大于1，判断为有流量且有振动，则继续进入步骤4；

步骤3：按如下步骤采用高频能量比率算法来区别其为涡街信号或者是只有振动信号：

a、设定一频域窗；将所述频域窗在频带内滑动，直至所述频域窗内有频率；

b、在频域窗没有越界的情况下，将所述频域窗在频带内继续滑动，直至频域窗内没有频率，并将频域窗的结束频率作为高频分量的起始频率；

c、计算获得高频分量的能量E1以及整个带宽内的能量E0，计算获得高频分量E1在所述整个带宽内的能量E0中的比率R0；

d、将所述比率R0与设定的比率阈值R1进行比较，若是所述比率R0大于比率阈值R1时，判断为振动噪声；若是比率R0小于或等于比率阈值R1时，判断为涡街信号；

步骤4：首先判断流量信号是否饱和，在流量信号未饱和时，使用能量比值的方法，计算获得相匹配的流量信号有效峰值M12与噪声信号有效峰值M11的能量比值，并将能量比值最大值对应的流量信号频率作为涡街频率；当流量信号饱和时，以流量信号的最大能量峰值对应的频率作为涡街频率。

2.根据权利要求1所述的抗振动干扰的数字化涡街流量计的测量方法，其特征是所述流量信号是否饱和的判断方法是：

设定采样点数N0，采样频率fs，信号周期T，信号频率f0，对信号的采样时间为tsample为：tsample＝N0/fs，在采样时间内采样的信号周期数N为：N＝tsample/T＝N0*f0/fs，信号每个周期的采样点数k为：k＝fs/f0；

信号饱和时为方波，则每个周期的饱和点数为k/2，因此整个采样时间内的饱和点数Ns为：Ns＝N*k/2＝N0/2；考虑到实际信号的差异，饱和点数Ns取理论值的0.5倍，即为N0/4；当信号采样结束后，若饱和点数Ns大于N0/4，则认为信号饱和。