CN1206516C - 旋涡流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过应用传感器检测由卡曼(Karman)旋涡体产生的交变信号来测量流体流量的旋涡流量计，所述旋涡流量计包括：低通滤波器，通过由所说的旋涡流量计的直径和流量范围所确定的频带；频谱分析仪，用于分析所说的多个分离的子频带，频谱分析仪包括子频带滤波器、幅值测量电路、判别电路和控制器，其中，子频带滤波器用于将通过所说的低通滤波器的频带分解成多个分离的频率子频带；和带通滤波器，依据所说的频谱分析仪的分析结果使来自低通滤波器的要测量的频带通过。

Description

旋涡流量计

技术领域

本发明涉及一种通过检测由卡曼旋涡体产生的交变信号来测量流体的流量的旋涡流量计，其中应用微处理器处理旋涡流量信号，该旋涡流量信号是通过使交变信号通过滤波器并通过A/D转换器对该信号进行A/D转换得到的。更具体地说，本发明涉及一种改善的旋涡流量计，它能够确保稳定的流量检测。

背景技术

旋涡流量计是应用这样的事实：即放置在待测流体中的旋涡发生器后产生的卡曼旋涡的频率与流体的流速成比例。由于旋涡流量计的结构简单、测量范围宽以及测量精度高，因此它广泛地应用在各种流体流量测量领域中。

附图1所示为已有技术中的旋涡流量计例子的方块图(虽然在该图中仅示出了一个传感器—压电元件，但是在一些情况中可以有多于一个的传感器)。通过电荷转换器2将从压电元件1中输出的AC电荷信号转换为AC电压信号，然后通过放大器3对该电压信号进行放大。

放大器3所放大的电压信号除了载有所测量的频带外还带有噪声成份。通过带通滤波器4除去这些噪声成份。通过施密特触发器5将通过带通滤波器4的信号转换为脉冲信号。

设计带通滤波器4以通过微处理器7(CPU)能够依据旋涡流量计的直径、流体密度和最大流量选择最佳的频带。

施密特触发器5产生的脉冲信号输送到微处理器7，这里对脉冲信号进行频率、流量和校正计算，通过包括在微处理器7中的计算装置应用乘法器和进行流量计算所需的计算程序执行这些计算。然后，微处理器7输出与流量信号相对应的脉冲信号。通过频率-电压(F/V)转换器8将这种脉冲信号转换为模拟信号，然后在通过电压-电流(V/I)转换器9变换到所需的输出模式(例如，4-20mA的信号)的信号之后再输出。

现在应该指出的是叠加在上述的已有技术中的旋涡流量计的旋涡信号分量上的噪声分量包括：

·由于管的振动引起的噪声，

·低频噪声比如差拍噪声，

·例如由于旋涡发生器的共振引起的高频噪声，和

·尖峰噪声。

虽然应用带通滤波器4能够显著地抑制这些类型的噪声量，但是其余的噪声仍然不利地影响信号分量。因此，噪声分量附带地被施密特触发器5转换成脉冲信号分量或施密特触发器不能正常地将原始的信号分量转换成脉冲信号。

为了克服这样的问题在测量时，在将旋涡频率信号转换为脉冲信号之后在已有技术的旋涡流量计中执行一种方法。在该方法中，为准确地确定信号分量是噪声还是信号，应用噪声判别装置以“on-off”的方式进行判断，该装置应用由幅值-频率(A/F)转换器6提供的被转换的频率。

然而，如果高频噪声叠加在旋涡信号上，由此脉冲数量增加，则直接输出旋涡信号作为流量信号。这导致不能确保足够的精度的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种旋涡流量计，通过检测由卡曼旋涡体产生的交变信号来测量流体的流量，其中，对通过A/D转换器对所说的交变信号进行A/D转换而得到的旋涡流量信号进行信号处理，所述旋涡流量计包括：低通滤波器，通过由所说的旋涡流量计的直径和流量范围所确定的频带；频谱分析仪，用于分析所说的多个分离的子频带，所述频谱分析仪包括子频带滤波器、幅值测量电路、判别电路和控制器，其中，子频带滤波器用于将通过所说的低通滤波器的频带分解成多个分离的频率子频带；和带通滤波器，依据所说的频谱分析仪的分析结果使来自低通滤波器的要测量的频带通过。并且其中，低通滤波器和将通过低通滤波器的频带分成多个部分频带的装置都位于带通滤波器之前，依据在部分频带中的每个频带的信号强度分析旋涡频率的频带，以及依据该分析结果控制带通滤波器的频带，由此能够以更高的精度进行流量测量。

优选地，本发明的旋涡流量计中，根据每个频率子频带的频带不同对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定不同的增益，并且选择具有最大幅值的频带作为旋涡频率的频带。

优选地，本发明的旋涡流量计中，对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定噪声判别电平，选择等于或大于所说的噪声判别电平的信号的频带作为旋涡频率的频带。

优选地，本发明的旋涡流量计中，对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定多个密度判别电平，选择大于该密度判别电平的信号的频带作为旋涡频率的频带。

优选地，本发明的旋涡流量计中，依据所选择的密度判别电平显示测量范围。

优选地，本发明的旋涡流量计中，设定了所说的多个密度判别电平的流体为液体或气体。

优选地，本发明的旋涡流量计中，所说的带通滤波器的频带覆盖整个流速范围。

优选地，本发明的旋涡流量计中，所说的子频带滤波器中的低通滤波器采用移动平均计算和采样速率抽选。

优选地，本发明的旋涡流量计中，依据所说的子频带滤波器中的低通滤波器的输出来选择带通滤波器中的低通滤波器的频带，所说的带通滤波器用于对旋涡流量信号波形进行整形。

优选地，本发明的旋涡流量计中，脉冲电路位于所说的带通滤波器之后，通过保持跟踪来自所说的带通滤波器输入信号中的峰值来改变所说的脉冲电路的触发器电平。

优选地，本发明的旋涡流量计中，参考峰值检测器的输出，通过滞后来设定所说的触发器电平。

优选地，本发明的旋涡流量计中，依据所说的脉冲电路输出的脉冲的极性转换所说的峰值检测器，因此当所说的输出为高态时所说的峰值检测器作为最大值检测电路工作，或者当所说的输出为低态时作为最小值检测电路工作。

附图说明

附图1所示为已有技术中的旋涡流量计的一个实施例的方块图。

附图2所示为依据本发明的旋涡流量计的一个实施例的方块图。

附图3所示为频谱分析仪的方块图。

附图4所示为将要处理的信号的带宽分为6个部分频带的方法的示意图。

附图5所示为频谱分析仪块的详图。

附图6所示为频率和增益之间的关系示意图。

附图7所示为具有高频频带的噪声叠加到具有低频频带的信号上的方法。

附图8所示为说明在幅值x和子频带之间的关系的频谱图以及指示带通滤波器的可构造的范围的示意图。

附图9所示为说明当流量为零时在幅值x和每个子频带频率之间的关系，以及指示当将通带设置在位于通带中心的最小流速时带通滤波器的状态的示意图。

附图10所示为说明在每个子频带的幅值x和饱和检测电平SL之间的关系并指示具有扩展的通带的带通滤波器的状态的示意图。

附图11所示为子频带滤波器的详细方块图。

附图12当两个LPF和HPF都是第二级滤波器时子频带滤波器的方块图。

附图13表示所构造的滤波器的示意图，该滤波器将频带分成部分频带，每两个相邻的部分频带的带宽的比例为1比2。

附图14所示为幅值测量电路的方块图。

附图15应用移位器、加法器、减法器和延迟元件构成的幅值测量电路的方块图。

附图16所示为频谱分析仪的方块图。

附图17所示为应用选择器和高通滤波器构造的带通滤波器的方块图。

附图18所示为一种示意图，在该图中依据在每个子频带的频率和幅值之间的关系画出了将液体从气体中区别开的线。

附图19所示为附图2所示的方块图，当在测量具有许多密度等级的液体时在该图中增加了信号线。

附图20所示为将低频噪声叠加到信号上的波形图，并且其中有许多漏脉冲。

附图21所示为应用在本发明中的施密特触发器的一个实施例的方块图。

附图22所示为即使在信号上叠加了低频噪声时也不存在漏脉冲的波形图。

附图23所示为当将低频信号转换为脉冲信号时的波形图。

附图24所示为应用在本发明中的施密特触发器的另一个实施例的方块图。

附图25所示为在附图24中所示的施密特触发器的更具体的实施例的方块图。

具体实施方式

现在结合附图详细地描述本发明的优选实施例。附图2所示为依据本发明的旋涡流量计的一个实施例的方块图。在附图2中，与附图1中相同的元件以相同的标号表示。虽然在附图2中所示仅有一个传感器，但是附图2所示的实施例也可以应用使用多个传感器的旋涡流量计。

在附图2中，标号2a表示电荷转换器(该转换器包括在附图1中所示的放大器3)，标号20表示将通过电荷转换器2a的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器，标号22表示从A/D转换器20的输出信号(旋涡流量信号)中除去高频分量的低通滤波器。

标号23表示频谱分析仪，该频谱分析仪由数字滤波器(在下文讨论)构成的子频带滤波器和判别电路构成。频谱分析仪23将通过低频滤波器22的信号的频带分成许多部分频带以确定哪个部分频带包含有要测量的信号。

标号24所示为依据频谱分析仪23的分析结果使要测量的信号通过的带通滤波器。标号5表示将通过带通滤波器24的信号转换为脉冲信号的施密特触发器。

由施密特触发器5转换的脉冲信号输送到微处理器7，在这里对脉冲信号进行频率、流量和校正计算，通过包含在微处理器7中的计算装置应用流量计算所需的计算程序和乘法器执行这些计算。然后，微处理器7输出与流量信号相对应的脉冲信号。通过组成输出电路25的F/V转换器(在附图中未示出)将这种脉冲信号转换为模拟信号，然后再通过V/I转换器(在附图中没有示出)将其转换为所需的输出模式(例如，4-20mA信号)的信号之后输出该信号。

附图3所示的频谱分析仪23的方块图。标号30表示由SUB1至SUB6组成的子频带滤波器，这里将要处理的信号的频带(通过旋涡流量计的流量范围和直径确定旋涡信号的频带)例如分成6个部分频带(并不限于6个，而是需要多少个就可以分为多少个)，如附图4所示。此后将由此所得的频带的分段称为子频带。

再参考附图3，标号31表示由AMP1至AMP6组成的幅值测量电路，其中测量在附图4中所示的每个子频带的幅值。幅值测量电路31的每个AMP1至AMP6是绝对值电路和低通滤波器电路的组合或平方律电路和低通滤波器电路的组合。

标号32表示比较每个子频带的幅值以确定在哪个子频带中存在旋涡信号的判别电路。

带通滤波器24的通带受控制器33的控制，以便由判别电路32确定的子频带能够集中在通带。

现在参考附图5描述识别旋涡信号的方法，附图5所示为频谱分析仪块的详细方块图。

x1至x6为由幅值测量电路31提供的单个子频带的幅值。这些单个子频带的幅值乘以具有不同的值的GAIN1至GAIN6以得到输出y1至y6。附图6所示为每个子频带的增益和频率之间的关系，这里的输出y1至y6等于通过具有不同的增益(由于GAIN1至GAIN6彼此不相同)的带通滤波器的信号的幅值。

如前文所述，旋涡流量计所提供的信号的幅值由直径、流体密度和流速确定。用于旋涡流量计的传感方法包括应力检测方法、压力检测方法以及超声检测方法。应力检测方法利用信号幅值与流体密度和流速的平方成比例的关系。超声检测方法基于信号幅值与音速和流体流速成比例的原理。

在每种方法中，当流速增加(即，频率上升)时幅值增加。因此，将具有更低的频率的子频带的增益设置较大的值，而将具有更高的频率的子频带的增益设置较小的值。

在频率和幅值之间的关系在一定程度上是可预期的，因此可以逐个地设定子频带的噪声判别电平NL。

在附图5中，将每个子频带的噪声判别电平设定为NL1至NL6。子频带的幅值x1至x6输入到比较器34中以与噪声判别电平NL相比较。最大的频带检测器35输出与在其幅值x都比它们相应的噪声判别电平NL更大的子频带中幅值y是最大的子频带相对应的信号MAX_BAND。

控制器33将带通滤波器24(参见附图2)设定为在中心具有信号MAX_BAND的频带。

例如，如果输入这种波形，如附图7(a)所示，其中具有高频子频带SUB2的噪声叠加在具有低频子频带SUB5的信号上，得到如附图8(a)和8(b)所示的频谱。在该例中，最大的频带检测器35判别子频带SUB5为该信号，如在附图8(b)所示在子频带SUB2、SUB4、SUB5和SUB6中子频带SUB5的幅值y最大，而如附图18(a)所示SUB2、SUB4、SUB5和SUB6的幅值x比它们相应的噪声判别电平NL都更大。因此，控制器33如附图8(c)所示设定带通滤波器24的通带。因此，得到如在附图7(b)中所示的信号作为带通滤波器24的输出。

在参考附图5，如果至少一个子频带的幅值x比其噪声判别电平NL更大则最大的频带检测器35的输出NJ产生高态，或者如果所有的子频带的幅值x都比其噪声判别电平NL更低则所述输出NJ产生低态。

附图9(a)所示为当流量为零时的频谱的例子。所有的子频带的幅值x都比它们相应的噪声判别电平NL都低。在这种状态下，最大的频带检测器35将输出NJ设定到低态。

控制器33依据前面所设定的信号NJ_DATA控制带通滤波器24，并且如果输出NJ处于低态时带通滤波器24截断其输出。此外，如附图9(b)所示，带通滤波器24被设定为在中心具有最小的流速的通带。当带通滤波器24截断其输出时抗噪声性增加。如附图9(b)所示，通过设定带通滤波器24的通带，当流量上升时能够迅速地开始跟踪它。

应该指出的是，如前文所讨论，如果信号饱和了则不能保证还能够以如前面所讨论的通常的方法进行频谱分析。在另一方面，信号饱和意味着该信号足够大，噪声的影响很小。

如附图10(a)所示，设定饱和检测电平SL以便当信号变得饱和时使其比子频带的幅值x更小。

在参考附图5，如果所有的子频带的幅值x比饱和检测电平SL更低，则饱和检测器37输出低态，或者如果至少一个子频带的幅值x比饱和检测电平SL更高，则饱和检测器37输出高态。如果饱和检测器37的输出SJ变为高态，则控制器33判别旋涡信号为非常大，因此，如附图10(b)所示，依据预先设定的信号SJ_DATA加宽了带通滤波器24的通带。

这里应该指出的是，噪声判别电平NL、饱和检测电平SL、GAIN1至GAIN6，NJ_DATA和SJ_DATA都是依据直径、流速范围和流体密度这些条件确定的参数。

通过构造如上所述的旋涡流量计，即使噪声频带在所给定的信号带宽内也能够消除所叠加的噪声。这就能够以增强的稳定性进行流量测量。

现在解释用于本发明中并位于低通滤波器22之后的子频带滤波器30(参见附图3)。

附图11为在附图3中所示的子频带滤波器30的详细方块图。在附图11中，低通滤波器22以符号LPF0表示，组成子频带滤波器30a至30e的低频滤波器和高频滤波器以HPF1至HPF6和LPF1至LPF5表示。这里所讨论的滤波器是应用加法器和延迟元件(比如寄存器)构造的移动平均滤波器。如符号↓1/2所示，通过对通过低通滤波器的信号的采样速率每次抽取一半。

数字滤波器主要包括：

乘法器，

加法器，和

延迟设备比如寄存器。

在其它部件中乘法器一般具有大规模的硬件结构。

在附图11中标号22所示的LPF0是一种具有直径和流量范围所确定的频带的低通滤波器，并且它是一种应用加法器和如寄存器的延迟元件构造的移动平均滤波器。依据该频带对LPF0的输出的采样速率进行分样抽选。

LPF1至LPF5都是第一阶或第二阶或更高阶的移动平均滤波器。

第一阶移动平均滤波器的转换函数表示如下：

(1+Z^-1)/2                  (式1)

第n阶移动平均滤波器的转换函数表示如下：

{(1+Z^-1)/2}ⁿ               (式2)

在通过移动平均计算处理之后，这些滤波器中的每个滤波器的输出的采样率都抽选1/2。

HPF1至HPF6都是高通滤波器，它们的转换函数表示如下

(1-Z^-1)/2                    (式3)

或

{(1-Z^-1)/2}ⁿ                 (式4)

其中式4为式3的第n阶表示。

附图12所示为当LPF和HPF都是第二阶滤波器时的子频带滤波器的方块图。通过将计算单元40和41平行地与每个延迟元件的后部相连接构造带通滤波器。

应用上述这些滤波器构造出的一种滤波器将频带分解为子频带，每两个相邻的子频带的宽度之比为1比2，如附图13所示(虽然子频带共用相同的转换函数，但是因为在移动平均计算之后对它们的输出的采样速率进行抽取，所以它们具有不同的带宽)。

仅应用加法器、减法器和延迟元件D构造如上所述的这种滤波器。由于滤波器并不要求具有通常意义的乘法器，所以它可以具有较小规模的硬件结构。

附图14所示为幅值测量电路31的方块图。这种方块图对应于在附图3或附图11中所示的每个AMP1至AMP6。幅值测量电路31由绝对值电路ABS和IIR低通滤波器构成。

在附图14中，系数K为满足0＜k＜1的值。如附图15所示应用移位器、加法器、减法器和延迟元件构造IIR低通滤波器。例如，如果将移位器设计为能够朝右移三位(即，乘以1/8)，则可以设计附图13所示的滤波器以使k＝0.125和1-k＝0.875。

上述的滤波器仅需要加法器、减法器和延迟元件。由于它并不要求具有通常意义的乘法器，所以它可以具有较小规模的硬件结构。

由于进行频谱分析的滤波器对采样速率进行1/2分样抽选，所以它们仅在每个子频带的存储器设备(比如寄存器)的数据上彼此相互不同。因此，这些滤波器可以共享相同的计算单元并应用相同的计算来处理数据，而不是根据频带不同而不同。

附图16所示为频谱分析仪23的方块图(参见附图2、附图3或附图11)。频谱分析仪23包括执行滤波器计算(参见附图12)的计算块50、用于执行LPF的计算的MEMORY1(存储器1)，用于幅值测量电路51(参见附图14)的IIR低通滤波器的计算的MEMORY2(存储器2)以及用于控制这些存储器设备的控制器52。

如上所讨论，1/2的信号抽选使滤波器能够共享相同的计算电路，由此能够极大地减少硬件的数量。

依据频谱分析的结果控制在附图2、附图3或附图16中的标号24所示的带通滤波器BPF的通带。带通滤波器在原理上是由低通滤波器和高通滤波器的组合。然而，如在附图17中所示，通过构造带通滤波器24能够取消低通滤波器。

如上文所述，在附图3或附图11中使用带通滤波器SUB1至SUB6，以便能够执行频谱分析。在本发明中，如附图17所示，通过首先设置低通滤波器然后设置高通滤波器来构造带通滤波器。在这个附图中，LPF0至LPF5都是具有不同频带的低通滤波器。如果从低通滤波器LPF0至LPF5的输出中进行选择，则低通滤波器LPF0至LPF5等效于可变带宽的低通滤波器。

在硬件设计中，应用选择器45来替代可变带宽的低通滤波器，由此极大地减少了硬件结构的规模。对于在本发明中的频谱分析，设计子频带滤波器以便将一给定的频带分解为子频带，每相邻两个子频带的带宽之比为1比2，对每个子频带滤波器的输出进行1/2抽选。

换句话说，在比例为2比1的每两个相邻的滤波器之间对在附图17中低通滤波器LPF0至LPF5的输出进行采样的采样率不相同。从低通滤波器LPF0至LPF5的输出中进行选择以同时使组成带通滤波器BPF的高通滤波器HPF的采样率改变。因此，高通滤波器HPF的转换函数随着采样速率的变化结果自动地改变。这就意味着不需要控制高通滤波器HPF的频带的电路，因此简化了硬件结构。

应该指出的是，用于频谱分析的子频带滤波器由带通滤波器组成，这些带通滤波器具有相对较窄的频带以有利于改善频率分辨率。为此这些带通滤波器中没有一个滤波器用作对旋涡波形进行整形的带通滤波器BPF。此外，BPF需要相对较宽的频带以便当频率变化时能够很好地实时地跟踪旋涡频率。

例如，如果旋涡信号的频带位于在附图4中的SUB3中，则必须构造BPF的频带以使其宽度为从SUB2至SUB4。在该例中，在附图17中的LPF2和HPF3对应于SUB3。组成BPF的选择器45选择组成SUB2的输出LPF1，而不是选择组成SUB3的LPF2。不用说，设计HPF以使在选择LPF1时采样频率的频带形成SUB3的更低的频率侧的频带。这里，不需要将HPF频带精确地调整到SUB4的频带上。

此外，BPF并不限于如上所讨论的频带。如果抗噪声性非常好，则如上所述的这种相对较窄的频带比较适合。如果具有非常好的旋涡频率的跟踪能力，则可以构造BPF以使“SUB3的信号的频带覆盖SUB1至SUB5”。

在前面的解释中，讨论了一个例子，在该例中消除仅对一种类型的流体进行测量的过程中产生的噪声，将具有最大幅值的频带识别为旋涡信号。本发明的旋涡流量计能够自动地在液体和气体或蒸汽之间进行辨别，并且还不需要进行任何改变(例如转换器设置)就可以作为测量这两种流体的流量计。

在流量测量的常规方法中，旋涡流量计的转换器具有分别用于液体的带通滤波器和用于气体的带通滤波器。这些带通滤波器中的每种滤波器的输出信号都通过位于滤波器之后的施密特触发器转换为脉冲信号，然后确定信号的频率。如果频率是属于液体范畴的旋涡频率，则应用用于液体的滤波器进行处理的信号提供输出。如果频率是属于气体范畴的旋涡频率，则应用用于气体的滤波器进行处理的信号提供输出。

由于这种方法仅根据频率判断流体的类型，这种方法的可测量性的条件是在液体和气体范畴中的旋涡频率彼此不相互重叠。

在本发明中，如附图18所示，依据子频带和幅值之间的关系确定液体检测电平和气体检测电平。

将检测的频率和幅值与在CPU中设定的值进行比较。如果该幅值等于或在该液体检测电平之上，输出被测量流体的信号作为该液体的信号。如果该幅值等于或在气体检测电平之上但在液体检测电平之下，则输出所测量的流体的信号作为气体的信号。因此，依据每种类型的流体设定来输出信号。

在附图18所示的实施例中，y5是信号频带，被测量的流体识别为液体。在这种实施例中，具有在气体检测电平之下的幅值的信号判别为噪声，并切断流量计的输出。然而，这种判别并不限于将流体分为液体和气体的分类。如果在流体密度中存在一定程度的差别，就能够在多种气体或液体中判别，由此切换流量计的输出。

附图19所示为在测量具有多种密度的流体的情况下将信号线a和b加入到附图2的方块图中的结果。线a所示的信号线载有用于告知CPU由频谱分析仪23判别的结果(是液体或气体)的状态信号。通过该状态信号CPU设置流量计的输出以提供与每种流体相对应的输出(例如，0-100％输出)。

在通过微处理器(CPU)7判别液体和气体的情况下，如虚线b所示，CPU读取频率和幅值信息。然后CPU依据对该信息进行判别的结果再设置其输出，并通过频谱分析仪23确定带通滤波器24的通带。

现在详细地描述在本发明中应用的施密特触发器5(参见附图2)。

如附图2所示，通过电荷转换器2a将传感器1的输出转换为电压信号，并通过A/D转换器20将该电压信号转换为数字信号。然后，将该数字信号输送到带通滤波器24以消除噪声并通过施密特触发器5将其转换为脉冲信号。

在通常情况下，如果输入上升到触发器电平TLH之上则施密特触发器的低态输出翻转到高态。相反，如果输入下降到触发器电平TLL之下则施密特触发器的高态输出翻转到低态。由此给定施密特触发器的滞后宽达TLH-TLL，它本身对抑制高频噪声具有有效的作用。

在已有技术中的旋涡流量计中，存在的问题是，如在附图20中的A、B、C、和D所示，如果例如由振动引起的低频噪声叠加在旋涡波形上，由于产生了漏脉冲所以不可能进行精确的流量测量。与此相反，在本发明应用施密特触发器的情况下，在如上所述的条件下没有漏脉冲而精确地进行流量测量是可能的。附图21所示为应用在本发明中的施密特触发器的一个实施例的方块图。

在附图21中，标号50表示第一比较器，而标号51表示第二比较器，将带通滤波器24的输出端连接到第一和第二比较器50和51的+端(非反相端)。寄存器53的输出端连接到第一比较器50的-端，而加法器55的输出端连接到第二比较器51的-端(反相端)。

寄存器53的输出端连接到加法器55的两个输入端中的一个输入端，而选择器54的输出端连接到加法器55的另一个输入端。标号52表示控制器。第一和第二比较器50和51的输出端连接到控制器52的两个输入端，它的输出端连接到寄存器53的两个输入端中的一个输入端。带通滤波器24的输出输送到寄存器53的另一个输入端。第二比较器51的输出端连接到选择器54的输入端，由此输入由传感器1(参见附图2)的特性确定的正(+)或负(-)滞后信号(下文用HYS表示)。至于上述的结构，现在描述作为峰值检测器56的控制器52和寄存器53的特性。

当脉冲输出PULSE为高态时，如果COMP(比较器)1为高态则更新寄存器REF的值，即，SIG＞REF为正确的(其中SIG为输出波形值，REF为寄存器的值)。因此，通过寄存器REF保持在脉冲输出PULSE已经变为高态之后的SIG的最大值。

当脉冲输出PULSE为低态时，如果COMP1为低态则更新寄存器REF的值，即，SIG＜REF为正确的。因此，通过寄存器REF保持在脉冲输出PULSE已经变为低态之后的SIG的最小值。

当脉冲输出PULSE为高态时，选择器54输出-HYS，或者，当脉冲输出PULSE为低态时，选择器54输出+HYS。因此，加法器55提供的触发器电平TL为：

·SIG-HYS的最大值，如果脉冲输出PULSE为高态，或者

·SIG+HYS的最小值，如果脉冲输出PULSE为低态。

这就意味着总是依据峰值设定触发器电平TL。

附图22所示为当将低频噪声叠加在输出波形(SIG)上时每个信号的波形。由于触发器电平(虚线所示)总是依据峰值设定，在输出信号(点划线所示)中没有产生漏脉冲。因此，能够进行精确的流量测量。根据施密特触发器5的上述特性，如附图23所示，也能够正确地将低频信号转换为脉冲信号。

附图24所示为应用在本发明中的施密特触发器5(参见附图2)的另一个实施例的方块图。在附图24中，当COMP2的脉冲输出PULSE为高态时，该实施例作为正峰值检测器工作。即，保持在将脉冲输出PULSE改变为高态之后的SIG的最大值。

当COMP2的脉冲输出PULSE为低态时，该实施例作为负峰值检测器工作。即，保持在将脉冲输出PULSE改变为低态之后的SIG的最小值。当脉冲输出PULSE为高态时模拟开关54a(选择器)输出“SIG+HYS的最大值”，或者当脉冲输出PULSE为低态时模拟开关54a输出“SIG-HYS的最小值”。因此，当脉冲输出PULSE为高态时触发器电平TL等于“最大值-HYS”，或者当脉冲输出PULSE为低态时触发器电平TL等于“最小值+HYS”。因此，触发器电平TL总是参考峰值设定。附图25所示为在附图24中所示的施密特触发器的更具体的实施例，其中将峰值检测器设计得能够通过一般的模拟开关转换它的极性。

在附图25中，当脉冲输出PULSE为低态时接通上部二极管侧的开关，以使峰值检测器56a作为最大值检测电路。相反地，当脉冲输出PULSE为高态时接通下部二极管侧的开关，以使峰值检测器56a作为最小值检测电路。

假设第二比较器51的输出为±VCC，则到比较器的非反相输入端的输入为

$\mathrm{TL}=\frac{R2}{R1+R2}\·\mathrm{REF}\±\frac{R1}{R1+R2}\·\mathrm{VCC}$

即等于将滞后 $\±\frac{R1}{R1+R2}\mathrm{VCC}$ 加入到峰值保持电路56a的输出中得到的值。

现在假设R3＝R1并且R4＝R2，则输入到第二比较器51的反相输入端的输入为

$\frac{R1}{R1+R2}\·\mathrm{SIG}$

因此，在附图24中所示的选择器54的滞后±HYS等于从附图25中所确定的 $\±\frac{R2}{R1}\mathrm{VCC}.$

现在应该指出的是，在附图25中的脉冲输出PULSE的极性与在附图24中所示的极性相反。

在上述对本发明的解释中，为了描述本发明和示出实施本发明的实例的目的仅仅提到了具体的优选实施例。很明显对于在本领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和实质特征的前提下能够以其他的方式实施本发明。因此，应该理解的是，所附加的权利要求覆盖了落在本发明的精神和范围内的所有的变型。

如上所述，依据本发明通过子频带滤波器将叠加有噪声的旋涡信号的频带分成子频带，以使频率分量与信号隔离。因此，能够有效地消除各种类型的噪声，确保稳定地检测流量。

Claims (27)

1.一种通过检测由卡曼旋涡体产生的交变信号来测量流体的流量的旋涡流量计，其中，对通过A/D转换器对所说的交变信号进行A/D转换而得到的旋涡流量信号进行信号处理，所述旋涡流量计包括：

低通滤波器，通过由所说的旋涡流量计的直径和流量范围所确定的频带；

频谱分析仪，用于分析多个分离的子频带，所述频谱分析仪包括子频带滤波器、幅值测量电路、判别电路和控制器，其中，子频带滤波器用于将通过所说的低通滤波器的频带分解成多个分离的频率子频带；和

带通滤波器，依据所说的频谱分析仪的分析结果使来自低通滤波器的要测量的频带通过。

2.权利要求1所述的旋涡流量计，其中判别电路通过判断所说的多个分离的频率子频带的幅值，识别要测量的频带。

3.权利要求2所述的旋涡流量计，其中幅值测量电路是绝对值电路和低通滤波器的组合或者平方律电路和低通滤波器的组合。

4.权利要求1至3中任一权利要求所述的旋涡流量计，其中根据每个频率子频带的频带不同对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定不同的增益，并且选择具有最大幅值的频带作为旋涡频率的频带。

5.权利要求4所述的旋涡流量计，其中对于在较高的频带范围中的频率子频带设定较小的增益值。

6.权利要求1至3中任一权利要求所述的旋涡流量计，其中对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定噪声判别电平，选择等于或大于所说的噪声判别电平的信号的频带作为旋涡频率的频带。

7.权利要求1至3中任一权利要求所述的旋涡流量计，其中对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定多个密度判别电平，选择大于该密度判别电平的信号的频带作为旋涡频率的频带。

8.权利要求7所述的旋涡流量计，其中依据所选择的密度判别电平显示测量范围。

9.权利要求7所述的旋涡流量计，其中设定了所说的多个密度判别电平的流体为液体或气体。

10.权利要求6所述的旋涡流量计，其中如果所有的子频带的幅值都低于噪声判别电平则将带通滤波器设定为预置的通带。

11.权利要求10所述的旋涡流量计，其中设定所说的带通滤波器的通带以使其输出为零。

12.权利要求10所述的旋涡流量计，其中设定所说的带通滤波器的通带以使最小流速位于通带中心。

13.权利要求4所述的旋涡流量计，其中对所说的多个分离的频率子频带中的每个子频带设定饱和检测电平，如果任一分离的频率子频带的信号大于该饱和检测电平则将所说的带通滤波器设定到预置的频带上。

14.权利要求13所述的旋涡流量计，其中所说的带通滤波器的频带覆盖整个流速范围。

15.权利要求2所述的旋涡流量计，其中IIR低通滤波器应用于幅值测量电路中，所述IIR低通滤波器由移位器、加法器、减法器和延迟元件组成。

16.权利要求1所述的旋涡流量计，其中所说的低通滤波器是一种移动平均滤波器，设置在所说的A/D转换器和所说的频谱分析仪之间。

17.权利要求16所述的旋涡流量计，其中依据由所说的旋涡流量计的直径和流量范围所确定的频带抽选通过所说的低通滤波器的信号的采样速率。

18.权利要求16所述的旋涡流量计，其中所说的移动平均滤波器由加法器和延迟元件组成。

19.权利要求1所述的旋涡流量计，其中所说的子频带滤波器中的低通滤波器采用移动平均计算和采样速率抽选。

20.权利要求1所述的旋涡流量计，其中执行1/2采样速率抽选以使所有的子频带滤波器具有相同的计算表达式。

21.权利要求1所述的旋涡流量计，其中执行1/2采样速率抽选以使每个子频带滤波器的计算单元能够由其它的子频带滤波器所共用。

22.权利要求1所述的旋涡流量计，其中依据所说的子频带滤波器中的低通滤波器的输出来选择带通滤波器中的低通滤波器的频带，所说的带通滤波器用于对旋涡流量信号波形进行整形。

23.权利要求1所述的旋涡流量计，其中将所说的子频带滤波器的采样速率以每两个相邻的子频带滤波器之间2比1的比例降低，由此自动地改变在所说的带通滤波器中的高通滤波器的频带，所说的带通滤波器用于对旋涡流量信号波形进行整形。

24.权利要求1所述的旋涡流量计，其中设定所说的带通滤波器的频带以使包括所选择的频带之前和之后的频带，所说的带通滤波器用于对旋涡流量信号波形进行整形。

25.权利要求1所述的旋涡流量计，其中脉冲电路位于所说的带通滤波器之后，通过保持跟踪来自所说的带通滤波器输入信号中的峰值来改变所说的脉冲电路的触发器电平。

26.权利要求25所述的旋涡流量计，其中参考峰值检测器的输出，通过滞后来设定所说的触发器电平。

27.权利要求26所述的旋涡流量计，其中依据所说的脉冲电路输出的脉冲的极性转换所说的峰值检测器，因此当所说的输出为高态时所说的峰值检测器作为最大值检测电路工作，或者当所说的输出为低态时作为最小值检测电路工作。

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