CN1928506A - 涡街流量计的信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡街流量计的信号处理方法及系统，本发明采用动态调整滤波放大器的幅频特性转折点Z来控制信号脉动幅值的动态范围，让信号在二阶低通滤波器的－40dB/dec衰减区中摆脱信号幅值与频率的平方关系，并通过对信号脉动幅值的调整来实现既消除高频干扰噪声又抑制了低频摆动噪声的信号处理关系。使极低流速下的涡街信号可被有效地放大和信号频率被准确地捕捉。整个涡街流量计的信号处理方法及系统能在4～20mA的二线制下低功耗实现。

Description

涡街流量计的信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及一种涡街流量计的信号处理方法及系统。

背景技术

涡街流量计是利用流体力学中卡尔曼涡街的原理，根据传感器输出信号的频率在一定流速范围内与流速成正比的特性，采用测量传感器输出信号的频率来测量流体流速。理论上这种信号频率与流速的直接对应关系具有100∶1的量程范围。但同时，一般应力式传感器输出信号的频率幅值又与信号频率值的平方成正比，即在流速稍高时传感器输出信号的脉动幅值比较大，对应的频率测量比较容易，而在流速稍低时信号的脉动幅值就会大大减小，信号中的高频干扰与低频摆动等噪声使检测信号中的涡街频率变得非常困难。

目前，涡街流量计的信号处理方法主要有以下四种：一是不追求低流速测量的简单信号处理方法及系统，主要采用固定滤波器和固定阈值的窗口比较器对信号频率进行捕捉；二是采用具有跟踪涡街频率的可调整带通滤波器方法来改善对低流速信号的处理水平，这种方法主要有美国专利5372046、5429001和5576497等，由于一直要将带通滤波器的中心频率调整到要寻找的当前涡街频率附近，因此跟踪的正确性、快速性和技术复杂性间的矛盾都使实现带来困难；三是采用数字化频谱分析方法来估计低幅值的信号频率，这种方法有中国专利99101209.7等，但存在数字化频谱分析的分辨率和实时性难以兼顾的技术问题；四是采用第二和第三种相结合的方法，如美国专利US6480812B1、美国专利US6212975B1和欧洲专利645258等，主要是采用频谱分析来寻找要跟踪的频率，再用带通滤波器来提高频率检测的分辨率，这类方法用技术复杂性来改善了第二方法中频率跟踪的正确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡街流量计的信号处理方法及系统，使低流速下的涡街信号可被有效地放大并能准确地捕捉信号频率。使整个涡街流量计的信号处理方法及系统能在4～20mA的二线制下低功耗实现。

为达到上述目的，本发明的构思是：采用动态调整滤波放大器的幅频特性转折点Z来控制信号脉动幅值的动态范围，让信号在二阶低通滤波器的-40dB/dec衰减区中摆脱信号幅值与频率的平方关系，并通过对信号脉动幅值的调整来实现既消除高频干扰噪声又抑制了低频摆动噪声的信号处理关系。使低流速下的涡街信号可被有效地放大和信号频率可被准确地捕捉。

根据上述发明的构思，本发明采用以下技术方案：

一种涡街流量计的信号处理方法，包括一个传感器在流体流速V下产生信号X₀，一个前置放大器将信号X₀转换为信号X₁，流体流速V在V_S≤V≤V_D范围内，信号X₁的脉动频率F＝K₁×V和脉动幅值U₁＝M₁×F²，并对应流速V_S和V_D有信号X₁的脉动频率F_S＝K₁×V_S和F_D＝K₁×V_D，K₁和M₁是由实验确定的常数；其特征在于信号X₁输入一个幅频特性转折点Z可被动态调整的、具有二阶低通特性的滤波放大单元，滤波放大单元对信号X₁进行滤波放大后输出信号X₂；采用一个测量控制单元对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，测量控制单元输出信号Y来动态调整滤波放大单元的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D，式中U_S为信号X₂的脉动幅值U₂的下限阈值，U_D为信号X₂的脉动幅值U₂的上限阈值，同时通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V。

在上述的涡街流量计的信号处理方法，所述的滤波放大单元的幅频特性转折点Z是0dB/dec的低频线和-40dB/dec的高频衰减线的交点，幅频特性转折点Z的频率坐标是转折频率f₀。

在上述的涡街流量计的信号处理方法，所述的测量控制单元对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，并输出Y动态调整滤波放大单元的幅频特性转折点Z，对应的滤波放大单元和测量控制单元输出Y的动态调整关系如下：

(a).测量控制单元测量信号X₂的脉动幅值U₂时，若U₂＞U_D，则测量控制单元的输出Y将滤波放大单元的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向下调整，使滤波放大单元输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(b).在信号X₁的脉动频率F＝F_D并使X₁的脉动幅值U₁增大到U₁＝M₁×F_D ²时，测量控制单元的输出Y可动态调整滤波放大单元的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(c).测量控制单元测量信号X₂的脉动幅值U₂时，若U₂＜U_S，则测量控制单元的输出Y将滤波放大单元的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向上调整，使滤波放大单元输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(d).在信号X₁的脉动频率F＝F_S并使信号X₁的脉动幅值U₁减小到U₁＝M₁×F_S ²时，测量控制单元的输出Y可动态调整滤波放大单元的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

在上述的涡街流量计的信号处理方法，所述的测量控制单元测量信号X₂的脉动幅值U₂的变化过程，当信号X₂的脉动幅值U₂变化量大于阈值U_M时测量控制单元使逻辑值P翻转一次，这里阈值U_M＜U_S；测量控制单元用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂脉动频率F并推算流体流速V；

一种涡街流量计的信号处理系统，用于上述的涡街流量计的信号处理方法，包括一个传感器在流体流速V下产生信号X₀，一个前置放大器将信号X₀转换为信号X₁，一个幅频特性转折点Z可被动态调整的、具有二阶低通特性的滤波放大单元，信号X₁输入滤波放大单元，滤波放大单元输出信号X₂，信号X₂输入测量控制单元，测量控制单元输出Y对滤波放大单元的幅频特性转折点Z进行动态调整，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D，式中U_S为信号X₂的脉动幅值U₂的下限阈值，U_D为信号X₂的脉动幅值U₂的上限阈值，同时测量控制单元通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V。

在上述的涡街流量计的信号处理系统，所述的滤波放大单元是由电阻R₁、R_f和电容C值确定幅频特性转折点Z的二阶低通滤波器，滤波放大单元可由两个相同的滤波器串联组成；每个滤波器都是由一个电阻R₁、一个电阻R_f、一个电容C和一个运算放大器A组成；每个滤波器都把其中的电阻R₁的一端作为输入端，电阻R₁的另一端连接到运算放大器A的负端，电阻R_f和电容C都并联在运算放大器A的负端和输出端上，运算放大器A的正端连接信号地，每个滤波器的输出端就是各自运算放大器A的输出端，两个滤波器串联后得到的二阶低通幅频特性G为：

$G=\left|\frac{U_2}{U_1}\right|={\left(\frac{R_f}{R_1}\right)}^2\×\frac{f_0^2}{f_0^2+F^2},$ 其中转折频率 $f_0=\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_f\×C};$

在上述的涡街流量计的信号处理系统，所述的滤波放大单元的电阻R₁值、R_f值和电容C值以及幅值U_S和幅值U_D满足

$U_S\≤{\left(\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_1\×C}\right)}^2\×M_1\×n^2\×\frac{1}{1+n^2}\≤U_D$ 和 $n=\frac{F}{f_0}>1$ 时，

测量控制单元的输出Y动态调整滤波放大单元的电阻R_f值即调整了滤波放大单元的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D。

在上述的涡街流量计的信号处理系统，所述的滤波放大单元的电阻R_f是可动态调整的可变电阻；测量控制单元的输出Y可直接动态调整电阻R_f的电阻值。

在上述的涡街流量计的信号处理系统，所述的信号X₂的脉动幅值U₂变化大于阈值U_M时，测量控制单元使逻辑值P翻转一次，测量控制单元用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂的频率并推算流体流速V。

在上述的涡街流量计的信号处理系统，所述的流体流速V大于V_D时，将信号X₁由其它信号处理单元来进行处理，并通过捕获信号X₁的脉动频率F来推算流体流速V。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：利用二阶低通滤波器的-40dB/dec的幅频特性转换，以信号脉动幅值的动态范围作为信号的调整依据，使信号既滤除了高频噪声又抑制了低频摆动类噪声，从而实现对低流速涡街信号频率的准确捕捉。同时本发明可通过动态调整电阻值方法来实现对应的信号处理方法及系统，让涡街流量计的信号处理方法及系统能被方便且低功耗的实现。

附图说明

图1是本发明的一个实施例系统结构原理框图。

图2是滤波放大单元的二阶低通频谱特性图。

图3是一个由电阻R₁、R_f和电容C值确定的滤波放大单元的一个实施例结构原理图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例如下述：参见图1、图2和图3。

本涡街流量计的信号处理方法是由一个传感器1在流体流速V下产生信号X₀，一个前置放大器2将信号X₀转换为信号X₁，当流体流速V在V_S≤V≤V_D范围内，有信号X₁的脉动频率F＝K₁×V和脉动幅值U₁＝M₁×F²，并对应流速V_S和V_D有信号X₁的脉动频率F_S＝K₁×V_S和F_D＝K₁×V_D，K₁和M₁是由实验确定的常数；其特征在于一个幅频特性转折点Z可被动态调整的具有二阶低通特性的滤波放大单元3，信号X₁输入滤波放大单元3，滤波放大单元3输出信号X₂；一个测量控制单元4对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，并输出Y来动态调整滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D；同时，测量控制单元4通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V；

本方法中的滤波放大单元3的幅频特性转折点Z是如图2所示的0dB/dec低频线和-40dB/dec高频衰减线的交点，幅频特性转折点Z的频率坐标是转折频率f₀；

本方法中的测量控制单元4用幅值U_S作为信号X₂的脉动幅值U₂的下限阈值，用幅值U_D作为信号X₂的脉动幅值U₂的上限阈值，测量控制单元4输出Y动态调整滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D；

本方法中的测量控制单元4对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，并输出Y动态调整滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，对应的滤波放大单元3和测量控制单元4输出Y的动态调整关系如下：

(a).测量控制单元4测量信号X₂的脉动幅值U₂，若U₂＞U_D，则测量控制单元4的输出Y将滤波放大单元3的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向下调整，使滤波放大单元3输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(b).在信号X₁的脉动频率F＝F_D并使X₁的脉动幅值U₁增大到U₁＝M₁×F_D ²时，测量控制单元4的输出Y可动态调整滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元3输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(c).测量控制单元4测量信号X₂的脉动幅值U₂，若U₂＜U_S，则测量控制单元4的输出Y将滤波放大单元3的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向上调整，使滤波放大单元3输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(d).在信号X₁的脉动频率F＝F_S并使信号X₁的脉动幅值U₁减小到U₁＝M₁×F_S ²时，测量控制单元4的输出Y可动态调整滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元3输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

本方法中的测量控制单元4测量信号X₂的脉动幅值U₂的变化过程，当信号X₂的脉动幅值U₂变化量大于阈值U_M时测量控制单元4使逻辑值P翻转一次，这里阈值U_M＜U_S；测量控制单元4用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂脉动频率F并推算流体流速V；

图1中所示是一个涡街流量计的信号处理系统结构原理框图，传感器1在流体流速V下产生信号X₀，前置放大器2将信号X₀转换为信号X₁，一个幅频特性转折点Z可被动态调整的具有二阶低通特性的滤波放大单元3，信号X₁输入滤波放大单元3，滤波放大单元3输出信号X₂，信号X₂输入测量控制单元4，控制单元4输出Y对滤波放大单元3的幅频特性转折点Z进行动态调整，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D；同时，测量控制单元4通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V；

本系统中，滤波放大单元3是如图3所示的由电阻R₁、R_f和电容C值确定幅频特性转折点Z的二阶低通滤波器；滤波放大单元3可由两个相同的滤波器3.1与3.2串联组成；滤波器3.1与3.2都是由一个电阻R₁、一个电阻R_f、一个电容C和一个运算放大器A组成；滤波器3.1与3.2都把其中的电阻R₁的一端作为输入端，电阻R₁的另一端连接到运算放大器A的负端，电阻R_f和电容C都并联在运算放大器A的负端和输出端上，运算放大器A的正端连接信号地，滤波器3.1与3.2的输出端就是各自运算放大器A的输出端，两个-阶低通滤波器串联后得到的二阶低通幅频特性G为：

$G=\left|\frac{U_2}{U_1}\right|={\left(\frac{R_f}{R_1}\right)}^2\×\frac{f_0^2}{f_0^2+F^2},$ 其中转折频率 $f_0=\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_f\×C};$

本系统中的滤波放大单元(3)的电阻R₁值、R_f值和电容C值以及幅值U_S和幅值U_D满足

$U_S\≤{\left(\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_1\×C}\right)}^2\×M_1\×n^2\×\frac{1}{1+n^2}\≤U_D$ 和 $n=\frac{F}{f_0}>1$ 时，

测量控制单元4的输出Y动态调整滤波放大单元3的电阻R_f值即调整了滤波放大单元3的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D；

本系统中的滤波放大单元3的电阻R_f是可动态调整的可变电阻，如可控制电阻值的数字电位器；测量控制单元4的输出Y可直接动态调整电阻R_f的电阻值；

本系统中的信号X₂的脉动幅值U₂变化大于阈值U_M时，测量控制单元4使逻辑值P翻转一次，测量控制单元4用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂的频率并推算流体流速V；

本系统中，当流体流速V大于V_D时，将信号X₁由其它信号处理单元来进行处理并捕获信号X₁的脉动频率F并推算流速V。因为在流速V大于V_D时信号X₁的脉动幅值已较大，如将信号X₁经过一个带通放大器滤去噪声，可直接由一个阈值比较器对放大后的信号X₁进行频率捕捉，并可用计量信号X₁的频率来推算流体流速V。

Claims (9)

1.一种涡街流量计的信号处理方法，包括一个传感器(1)在流体流速V下产生信号X₀，一个前置放大器(2)将信号X₀转换为信号X₁，流体流速V在V_S≤V≤V_D范围内，信号X₁的脉动频率F＝K₁×V和脉动幅值U₁＝M₁×F²，并对应流速V_S和V_D有信号X₁的脉动频率F_S＝K₁×V_S和F_D＝K₁×V_D，K₁和M₁是由实验确定的常数；其特征在于信号X₁输入一个幅频特性转折点Z可被动态调整的、具有二阶低通特性的滤波放大单元(3)，滤波放大单元(3)对信号X₁进行滤波放大后输出信号X₂；采用一个测量控制单元(4)对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，测量控制单元(4)输出信号Y来动态调整滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D，式中U_S为信号X₂的脉动幅值U₂的下限阈值，U_D为信号X₂的脉动幅值U₂的上限阈值，同时通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V。

2.根据权利要求1所述的涡街流量计的信号处理方法，其特征在于所述的滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z是0dB/dec的低频线和-40dB/dec的高频衰减线的交点，幅频特性转折点Z的频率坐标是转折频率f₀。

3.根据权利要求1所述的涡街流量计的信号处理方法，其特征在于所述的测量控制单元(4)对信号X₂的脉动幅值U₂进行测量，并输出Y动态调整滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z，对应的滤波放大单元(3)和测量控制单元(4)输出Y的动态调整关系如下：

(a).测量控制单元(4)测量信号X₂的脉动幅值U₂时，若U₂＞U_D，则测量控制单元(4)的输出Y将滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向下调整，使滤波放大单元(3)输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(b).在信号X₁的脉动频率F＝F_D并使X₁的脉动幅值U₁增大到U₁＝M₁×F_D ²时，测量控制单元(4)的输出Y可动态调整滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元(3)输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(c).测量控制单元(4)测量信号X₂的脉动幅值U₂时，若U₂＜U_S，则测量控制单元(4)的输出Y将滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z沿高频衰减线方向向上调整，使滤波放大单元(3)输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D；

(d).在信号X₁的脉动频率F＝F_S并使信号X₁的脉动幅值U₁减小到U₁＝M₁×F_S ²时，测量控制单元(4)的输出Y可动态调整滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z，使滤波放大单元(3)输出信号X₂的脉动幅值U₂足满U_S≤U₂≤U_D。

4.根据权利要求1所述的涡街流量计的信号处理方法，其特征在于所述的测量控制单元(4)测量信号X₂的脉动幅值U₂的变化过程，当信号X₂的脉动幅值U₂变化量大于阈值U_M时，测量控制单元(4)使逻辑值P翻转一次，这里阈值U_M＜U_S；测量控制单元(4)用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂脉动频率F并推算流体流速V。

5.一种涡街流量计的信号处理系统，用于权利要求1所述的涡街流量计的信号处理方法，包括一个传感器(1)在流体流速V下产生信号X₀，一个前置放大器(2)将信号X₀转换为信号X₁，一个幅频特性转折点Z可被动态调整的、具有二阶低通特性的滤波放大单元(3)，信号X₁输入滤波放大单元(3)，滤波放大单元(3)输出信号X₂，信号X₂输入测量控制单元(4)，测量控制单元(4)输出Y对滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z进行动态调整，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D，式中U_S为信号X₂的脉动幅值U₂的下限阈值，U_D为信号X₂的脉动幅值U₂的上限阈值，同时测量控制单元(4)通过捕获信号X₂的脉动频率F来推算流体流速V。

6.根据权利要求5所述的涡街流量计的信号处理系统，其特征在于滤波放大单元(3)是由电阻R₁、R_f和电容C值确定幅频特性转折点Z的二阶低通滤波器，滤波放大单元(3)可由两个相同的滤波器(3.1)与(3.2)串联组成；滤波器(3.1)与(3.2)都是由一个电阻R₁、一个电阻R_f、一个电容C和一个运算放大器A组成；滤波器(3.1)与(3.2)都把其中的电阻R₁的一端作为输入端，电阻R₁的另一端连接到运算放大器A的负端，电阻R_f和电容C都并联在运算放大器A的负端与输出端上，运算放大器A的正端连接信号地，滤波器(3.1)与(3.2)的输出端就是各自运算放大器A的输出端，两个滤波器串联后得到的二阶低通幅频特性G为：

$G=\left|\frac{U_2}{U_1}\right|={\left(\frac{R_f}{R_1}\right)}^2\×\frac{f_0^2}{f_0^2+F^2},$ 其中转折频率 $f_0=\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_f\×C}.$

7.根据权利要求5所述的涡街流量计的信号处理系统，其特征在于所述的滤波放大单元(3)的电阻R₁值、R_f值和电容C值以及幅值U_S和幅值U_D满足

$U_s\≤{\left(\frac{1}{2\×\mathrm{\π}\×R_1\×C}\right)}^2\×M_1\×n^2\×\frac{1}{1+n^2}\≤U_D$ 和 $n=\frac{F}{f_0}>1$ 时，测量控制单元(4)的输出Y动态调整滤波放大单元(3)的电阻R_f值即调整了滤波放大单元(3)的幅频特性转折点Z，使信号X₂的脉动幅值U₂满足U_S≤U₂≤U_D。

8.根据权利要求6所述的涡街流量计的信号处理系统，其特征在于滤波放大单元(3)的电阻R_f是可动态调整的可变电阻；测量控制单元(4)的输出Y可直接动态调整电阻R_f的电阻值。

9.根据权利要求5所述的涡街流量计的信号处理系统，其特征在于信号X₂的脉动幅值U₂变化大于阈值U_M时，测量控制单元(4)使逻辑值P翻转一次，测量控制单元(4)用逻辑值P的翻转频率来计量信号X₂的频率并推算流体流速V。

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