專利名稱：基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種渦街流量計(jì)，特別是一種以單片機(jī)(MCU)為核 心、基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾數(shù)字渦街流量計(jì)。
背景技術(shù)：
渦街流量計(jì)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，由于管道與水泵、閥門和電動(dòng)機(jī)等設(shè)備相連， 所以，流量計(jì)常常受到機(jī)械振動(dòng)的干擾。在有些情況下，機(jī)械振動(dòng)噪聲的能量比較大，有時(shí) 甚至大于渦街流量信號(hào)的能量，并且其頻率在渦街流量信號(hào)頻率范圍內(nèi)。針對(duì)這種情況， 采用通常的頻譜分析很難從噪聲中提取渦街流量信息，因?yàn)橥ǔｎl譜分析的前提是流量信 號(hào)的能量要大于噪聲能量。為此，中國(guó)發(fā)明專利公布了一種抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù) 字信號(hào)處理系統(tǒng)(徐科軍，朱志海，劉三山，姜鵬.抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處 理系統(tǒng)，申請(qǐng)發(fā)明專利，200910116107. 1，申請(qǐng)日2009. 1. 21.)?？紤]到當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和管道 安裝好之后，振動(dòng)的頻率就固定下來(lái)了這個(gè)實(shí)際情況，該發(fā)明專利提出以下方案來(lái)解決此 問(wèn)題(l)采集渦街傳感器的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)渦街流量信號(hào)是寬帶信號(hào)和固定振 動(dòng)信號(hào)是窄帶信號(hào)的特點(diǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)速等，確定出管道的固 定干擾頻率；(2)根據(jù)固定干擾頻率，設(shè)計(jì)陷波濾波器，以陷掉固定干擾信號(hào)。但是，在有些 情況下，振動(dòng)干擾頻率是變化的，這種信號(hào)處理方法就不適用了 。為此，中國(guó)發(fā)明專利公布 了一種以單片機(jī)(MCU)為核心、基于單傳感器的抗強(qiáng)干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) (徐科軍，羅清林，王剛，劉三山，康一波，石磊，徐銀江.基于單傳感器的抗強(qiáng)干擾的渦街流 量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，申請(qǐng)發(fā)明專利，200910144877. 7，申請(qǐng)日2009. 9. 8.)。渦街流量信 號(hào)和機(jī)械振動(dòng)噪聲具有不同的頻率帶寬特征，而自相關(guān)函數(shù)可以反映出信號(hào)的帶寬特征。 通過(guò)對(duì)渦街流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、帶通濾波和自相關(guān)計(jì)算，確定渦街流量 信號(hào)的頻率。 國(guó)外SCHLATTER, Gerald, L.提出在建立噪聲模板和信號(hào)模板的基礎(chǔ)上，用頻域 轉(zhuǎn)換和互相關(guān)功率譜相結(jié)合的方法來(lái)消除渦街流量計(jì)中的強(qiáng)噪聲("Signal processing method andapparatus for flowmeter "， WO 90/04230,19 April 1990)。但是，噪聲情況 各種各樣，不易獲得噪聲的所有模板。并且，專利沒(méi)有說(shuō)明如何建立信號(hào)和噪聲的模板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的技術(shù)方案是采用雙渦街流量傳感器，通過(guò)適當(dāng)?shù)陌惭b，使其中一個(gè) 傳感器感受流量信號(hào)和振動(dòng)噪聲(以下簡(jiǎn)稱流量傳感器)，另一個(gè)傳感器感受振動(dòng)噪聲和 微弱的流量信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱振動(dòng)傳感器)。采用頻域相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的算法，根 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況來(lái)進(jìn)行切換。首先通過(guò)基于快速傅里葉變換(FFT)的幅值譜分析，計(jì)算 兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)中幅值譜峰值的個(gè)數(shù)。當(dāng)流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)減去 振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)大于或等于1時(shí)，認(rèn)為有流量且其頻率與振動(dòng)頻率不同，此時(shí)，采用頻域 相減的方法；當(dāng)流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)與振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)相等時(shí)，此時(shí)會(huì)有兩種情況(l)只有振動(dòng)；(2)流量與振動(dòng)為同一個(gè)頻率。當(dāng)只有振動(dòng)時(shí)，儀表應(yīng)該只 輸出0 ;當(dāng)流量與振動(dòng)為同一個(gè)頻率時(shí)，儀表應(yīng)該輸出流量的頻率。為了區(qū)別這兩種情況， 本發(fā)明專利提出計(jì)算頻率方差的方法。該算法的原理是管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的紊流、脈動(dòng)以及 流場(chǎng)的不穩(wěn)定對(duì)旋渦發(fā)生體施加了不規(guī)則的附加作用，使得渦街流量信號(hào)的實(shí)際頻率在理 想頻率的左右擺動(dòng)。而機(jī)械振動(dòng)噪聲是由水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的機(jī)械外力引起的，在實(shí)際中， 其頻率基本不變。所以，當(dāng)只有振動(dòng)時(shí)，其頻率的方差比較??；當(dāng)流量與振動(dòng)為同一個(gè)頻率 時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)是兩種共同作用的結(jié)果，所以，頻率的跳動(dòng)會(huì)比較大，方差也就比較 大。通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，就可以將這兩種情況區(qū)別開來(lái)。 本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)是采用兩個(gè)傳感器，采用頻域相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的 方法，判斷出流量信息和振動(dòng)噪聲，提取出流量信息，即使在渦街流量信號(hào)能量小于噪聲能 量時(shí)，仍然能夠得到準(zhǔn)確的渦街流量信號(hào)頻率，從而排除強(qiáng)噪聲的干擾，確?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度。


圖1是雙傳感器安裝主視圖。
圖2是雙傳感器安裝側(cè)視圖。
圖3是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是主監(jiān)控程序流程圖。
圖6是算法流程圖。 圖7是流量與振動(dòng)頻率不同時(shí)的流量傳感器頻譜圖。
圖8是流量與振動(dòng)頻率不同時(shí)的振動(dòng)傳感器頻譜圖。
圖9是頻域相減流程圖。 圖10信號(hào)個(gè)數(shù)一樣時(shí)的流量傳感器頻譜圖。
圖11信號(hào)個(gè)數(shù)一樣時(shí)的振動(dòng)傳感器頻譜圖。
圖12計(jì)算頻率方差流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，渦街流量傳感器的輸出信號(hào)中常常既含有渦 街流量信號(hào)又含有機(jī)械振動(dòng)噪聲，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)噪聲信號(hào)的能量大于渦街流量信號(hào)的能量 時(shí)，采用以往的數(shù)字信號(hào)處理方法無(wú)法得出正確的測(cè)量結(jié)果。采用雙傳感器，同時(shí)采用頻域 相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的算法，來(lái)消除其對(duì)流量計(jì)的影響。當(dāng)測(cè)量流量時(shí)，一個(gè)傳感器 感受流量信號(hào)和振動(dòng)噪聲(以下簡(jiǎn)稱流量傳感器)，另一個(gè)傳感器感受振動(dòng)噪聲和微弱的 流量信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱振動(dòng)傳感器)。這兩個(gè)傳感器是通過(guò)連桿相連接的，只是流量傳感器位 于流量管中，而振動(dòng)傳感器位于管道的上方。雙傳感器安裝的主視圖和側(cè)視圖如圖l和圖 2所示，圖中所示手柄l，表體2，三角柱3，石墨墊4，探頭5。 本發(fā)明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本發(fā)明系統(tǒng)由流量傳感器、振動(dòng)傳感器、模擬 輸入模塊、模擬輸出模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、脈沖輸出模塊、與外部單片機(jī)(MCU)通信的通信模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊和外部看門狗組成。 其中，模擬輸入模塊包括電荷放大器、限幅放大器、低通濾波和跟隨器、電荷放大 器、限幅放大器、低通濾波和跟隨器；模擬輸出模塊包括光耦、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和4 20mA輸出電路；單片機(jī)模塊包括單片機(jī)MSP430F5418、復(fù)位電路、欠壓監(jiān)測(cè)電路、鐵電存儲(chǔ) 器；脈沖輸出模塊包括光耦和整形電路；與外部MCU通信的通信模塊包括通信模塊、光耦、 整形電路和外部單片機(jī)；人機(jī)接口模塊包括按鍵輸入和液晶(LCD)顯示電路；電源模塊包 括隔離和非隔離直流-直流變換器(DC-DC)、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。
本發(fā)明系統(tǒng)的基本工作過(guò)程為流量傳感器信號(hào)和振動(dòng)傳感器信號(hào)分別通過(guò)模擬 信號(hào)輸入及調(diào)理模塊，適當(dāng)放大、低通濾波去掉高頻分量后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，完成信 號(hào)的采樣；數(shù)字信號(hào)處理模塊用算法對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到流量值；最后，系統(tǒng) 將流量測(cè)量結(jié)果通過(guò)電流、脈沖向外發(fā)送，或者通過(guò)通信模塊將流量信息傳遞給外部單片 機(jī)(MCU)。 本發(fā)明專利的軟件總體框圖如圖4所示。系統(tǒng)軟件開發(fā)采取模塊化設(shè)計(jì)方案，將 子程序組成功能模塊，由主監(jiān)控程序和中斷服務(wù)程序統(tǒng)一調(diào)用。本系統(tǒng)基本功能模塊包括 主監(jiān)控模塊、中斷模塊、看門狗模塊、鐵電操作模塊、人機(jī)接口模塊、初始化模塊、計(jì)算模塊 和輸出模塊。 本發(fā)明專利的主監(jiān)控程序流程如圖5所示。主監(jiān)控程序是整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的總 調(diào)度程序，調(diào)用各個(gè)模塊中的子程序，實(shí)現(xiàn)儀表所要求的功能。它是一個(gè)死循環(huán)程序，系統(tǒng) 一上電，主監(jiān)控程序自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)入不斷計(jì)算和處理的循環(huán)中?；具^(guò)程為系統(tǒng)上電后，立 即進(jìn)行初始化；初始化后，調(diào)用計(jì)算模塊，采用信號(hào)處理算法對(duì)采樣序列進(jìn)行處理，計(jì)算出 渦街頻率；然后，根據(jù)所設(shè)定的儀表系數(shù)，計(jì)算瞬時(shí)流量和累積流量；接著進(jìn)行LCD刷新；接 下來(lái)調(diào)用系統(tǒng)輸出模塊，根據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)流量，向外發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的4 20mA的電流和輸出 流量對(duì)應(yīng)的脈沖；輸出完成后，主監(jiān)控程序?qū)⒎祷?，重新開始進(jìn)行新的循環(huán)。
本發(fā)明專利的算法具體流程如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成之后，就進(jìn)入了計(jì)算 模塊。計(jì)算模塊中采用頻域相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的方法計(jì)算瞬時(shí)頻率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的 不同情況來(lái)進(jìn)行切換。通常我們?cè)O(shè)置一個(gè)幅值的截止值和一個(gè)頻率的截止值，即當(dāng)傳感器 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器后的幅值小于這個(gè)值時(shí)，我們認(rèn)為這個(gè)信號(hào)是噪聲；同理，當(dāng)傳感 器輸出信號(hào)的頻率小于截止頻率時(shí)，我們也認(rèn)為這個(gè)信號(hào)為噪聲。在計(jì)算兩個(gè)傳感器輸出 信號(hào)中幅值譜峰值個(gè)數(shù)時(shí)，若截止幅值設(shè)得太高，則可能測(cè)不到小流量；若截止幅值設(shè)得太 低，則可能會(huì)將一些干擾誤認(rèn)為信號(hào)，造成算法選擇失誤。為此，本發(fā)明專利不僅設(shè)置截止 幅值、截止頻率，還設(shè)定動(dòng)態(tài)的幅值閾值。由于渦街流量傳感器輸出頻率與幅值近似于平方 關(guān)系，所以，每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的幅值可以推算出來(lái)。但是在實(shí)際中，幅值跳動(dòng)比較大。所以，
設(shè)定每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的幅值的一半為幅值的閾值，以便能夠檢測(cè)到小流量信號(hào)，并且可以 排除干擾。 在測(cè)量之前，通過(guò)正常情況下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(無(wú)振動(dòng)噪聲)，根據(jù)頻率與幅值之間對(duì) 應(yīng)的數(shù)據(jù)，用Matlab擬合出頻率與幅值的閾值之間的關(guān)系式，如式(1)所示。
Y = AX2+BX+C (1) 式中，系數(shù)A、B、C為常量，X為頻率，Y為幅值的閾值。即在測(cè)量之前，將系數(shù)A、B、 C求出來(lái)；同時(shí)，確定截止幅值和截止頻率。注意，流量傳感器與振動(dòng)傳感器均是用式(1)，且幅值的閾值在對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)是相同的。 在測(cè)量中，首先要確定流量傳感器輸出信號(hào)中存在的不同頻率信號(hào)的個(gè)數(shù)。對(duì)于 流量傳感器，根據(jù)頻譜分析得到的頻率，通過(guò)式(1)計(jì)算出相應(yīng)頻率點(diǎn)處幅值的閾值。然 后，用計(jì)算出來(lái)的幅值譜的峰值與截止幅值、幅值譜的峰值與幅值的閾值、頻率與截止頻率 相比較，只有當(dāng)這三者的比較結(jié)果同時(shí)為大于時(shí)，才能算作一個(gè)峰值，即才算作存在一個(gè)頻 率的信號(hào)。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大或者流量比較大時(shí)，容易使流量傳感器輸出信號(hào)幅值飽和。飽和 時(shí)，諧波頻率約為基波頻率的3、5、7倍等，諧波幅值最大為基波幅值的1/3、1/5、1/7倍等；
而根據(jù)頻率與幅值的閾值的關(guān)系式，頻率越高，幅值的閾值越大，而飽和時(shí)諧波幅值最大為
基波幅值的1/3，所以，當(dāng)諧波的幅值小于幅值的閾值時(shí)就可以排除諧波的干擾。 其次，要確定振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)中存在的不同頻率信號(hào)的個(gè)數(shù)。由于已經(jīng)對(duì)流
量傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，所以，已經(jīng)得知了流量傳感器信號(hào)中不同頻率信號(hào)的
個(gè)數(shù)，所以，只需要判斷振動(dòng)傳感器在這些頻率點(diǎn)處是否存在信號(hào)。由于振動(dòng)傳感器也可以
感受到微弱的流量信號(hào)，如果只與截止幅值相比較，可能會(huì)認(rèn)為有信號(hào)，這可能造成算法選
擇的失誤；但是，設(shè)定幅值的閾值后，由于其幅值均小于閾值，就認(rèn)為沒(méi)有信號(hào)，這樣就保證
了算法選擇的正確。 因此，設(shè)定幅值的閾值不僅可以排除流量傳感器中的干擾，擴(kuò)大量程比，減小飽和 對(duì)算法的影響，而且可以避免振動(dòng)傳感器將流量信號(hào)作為一個(gè)振動(dòng)信號(hào)，從而保證了算法 選擇的正確性。 再次，比較流量傳感器和振動(dòng)傳感器中信號(hào)的個(gè)數(shù)。 當(dāng)流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)減去振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)大于或等于1 時(shí)，認(rèn)為有流量且其頻率與振動(dòng)頻率不同，此時(shí)，系統(tǒng)切換到頻域相減的方法。兩個(gè)傳感器 的幅值譜圖如圖7和圖8所示，其中圖7為流量傳感器的幅值譜，圖8為振動(dòng)傳感器的幅值 譜。圖中，83. 92Hz為噪聲頻率，79. 35Hz為流量頻率，此時(shí)噪聲的幅值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渦街流 量信號(hào)的幅值。頻域相減就是用流量傳感器的幅值減去噪聲傳感器的幅值，最大差值所對(duì) 應(yīng)的頻率就是渦街流量信號(hào)的頻率。由于制造工藝和結(jié)構(gòu)的原因，兩個(gè)傳感器不可能十分 對(duì)稱，若直接相減會(huì)存在誤差。為此，系統(tǒng)采用以下方法相減先算出流量傳感器的最大幅 值以及對(duì)應(yīng)的頻率；再算得振動(dòng)傳感器在該對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)處的幅值；然后，計(jì)算出流量傳感 器的最大幅值與振動(dòng)傳感器在該處的幅值之間的比值，將振動(dòng)傳感器所有信號(hào)的幅值乘以 該比值；最后，計(jì)算兩者相減的差值，最大值對(duì)應(yīng)的頻率就是渦街信號(hào)的頻率。算法流程如 圖9所示。圖7中噪聲幅值為0. 08133，流量幅值為0. 01225 ;圖8中噪聲幅值為0. 2057， 流量幅值為0. 005988。首先，計(jì)算出流量傳感器最大幅值與所對(duì)應(yīng)頻率處振動(dòng)傳感器幅值 的比值，O. 08133/0. 2057 = 0. 39538 ;然后，將圖8中的噪聲幅值乘以該比值，得0. 08133， 而流量幅值乘以該比值，得0.00236。再將兩個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)頻率處的幅值相減，結(jié)果為噪 聲為O，流量信號(hào)為0. 00989，因?yàn)?. 00989 > O，所以，選中79. 35為流量信號(hào)頻率。
當(dāng)流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)減去振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)等于0時(shí)，兩個(gè) 傳感器的幅值譜圖分別如圖IO和圖11所示，其中，圖10為流量傳感器的幅值譜圖，圖11為 振動(dòng)傳感器的幅值譜圖。此時(shí)，無(wú)法辨別是否只有噪聲還是流量與噪聲混合。按照要求，當(dāng) 只有噪聲時(shí)，儀表應(yīng)該輸出0 ;而當(dāng)流量與噪聲混合時(shí)，儀表應(yīng)該輸出流量頻率。如果采用 頻域相減的方法，無(wú)論是只有噪聲還是兩者混合，都輸出79. 35Hz，這就給測(cè)量帶來(lái)了誤差，即沒(méi)有流量時(shí)儀表仍然在計(jì)數(shù)，此時(shí)，應(yīng)切換到計(jì)算頻率方差的方法。 方差是一個(gè)刻劃取值分散程度的量，方差越小，取值越集中，反之，取值越分散。而 頻率方差是反映頻率分散程度的一個(gè)量，由于機(jī)械振動(dòng)噪聲信號(hào)是由水泵、閥門、鼓風(fēng)機(jī)等 機(jī)械外力引起的，在實(shí)際中的頻率基本不變，所以其方差較小，而流量信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加 時(shí)，管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的紊流、脈動(dòng)以及流場(chǎng)的不穩(wěn)定對(duì)旋渦發(fā)生體施加了不規(guī)則的附加作 用，渦街流量信號(hào)的實(shí)際頻率在理想頻率的左右擺動(dòng)，而且傳感器輸出信號(hào)是流量信號(hào)與 噪聲信號(hào)共同作用的結(jié)果，所以其頻率的取值將會(huì)比較分散，方差也會(huì)較大。假設(shè)不同時(shí)刻 的同一個(gè)信號(hào)的頻率取值為A， f2， . . . ， 4，其均值為f，則方差的計(jì)算公式為 根據(jù)式(2)計(jì)算出頻率方差后，再與頻率方差閾值比較，當(dāng)小于等于該閾值時(shí)，認(rèn) 為是噪聲；當(dāng)大于該閾值時(shí)，認(rèn)為是流量信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加。算法流程如圖12所示。頻 率方差閾值是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)確定的。
權(quán)利要求
基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，由流量傳感器、振動(dòng)傳感器、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、脈沖輸出模塊、與外部單片機(jī)通信的通信模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊、外部看門狗和軟件組成，其特征在于流量傳感器信號(hào)和振動(dòng)傳感器信號(hào)分別通過(guò)模擬輸入模塊，適當(dāng)放大，再低通濾波去掉高頻分量后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成信號(hào)的采樣；數(shù)字信號(hào)處理模塊用算法對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到流量值；最后，系統(tǒng)將流量測(cè)量結(jié)果通過(guò)電流、脈沖向外發(fā)送，或者通過(guò)通信模塊將流量信息傳遞給外部單片機(jī)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于軟 件包括主監(jiān)控模塊、中斷模塊、看門狗模塊、鐵電操作模塊、人機(jī)接口模塊、初始化模塊、計(jì) 算模塊和輸出模塊，由主監(jiān)控程序和中斷服務(wù)程序統(tǒng)一調(diào)用；系統(tǒng)上電后，立即進(jìn)行初始 化；初始化后，調(diào)用計(jì)算模塊，采用信號(hào)處理算法對(duì)采樣序列進(jìn)行處理，計(jì)算出渦街頻率； 然后，根據(jù)所設(shè)定的儀表系數(shù)，計(jì)算瞬時(shí)流量和累積流量；接著進(jìn)行液晶顯示器(LCD)刷 新；接下來(lái)調(diào)用系統(tǒng)輸出模塊，根據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)流量，向外發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的4 20mA的電流和 輸出流量對(duì)應(yīng)的脈沖；輸出完成后，主監(jiān)控程序?qū)⒎祷?，重新開始進(jìn)行新的循環(huán)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于計(jì) 算模塊中采用頻域相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的方法計(jì)算瞬時(shí)頻率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況 來(lái)進(jìn)行切換；不僅設(shè)置截止幅值、截止頻率，還設(shè)定動(dòng)態(tài)的幅值閾值；由于渦街流量傳感器 輸出頻率與幅值近似于平方關(guān)系，所以，每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的幅值可以推算出來(lái)；但是在實(shí)際中，幅值跳動(dòng)比較大；所以，設(shè)定每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的幅值的一半為幅值的閾值，以便能夠檢 測(cè)到小流量信號(hào)，并且可以排除干擾。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于在 測(cè)量之前，通過(guò)正常情況下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(無(wú)振動(dòng)噪聲)，根據(jù)頻率與幅值之間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)， 用Matlab計(jì)算軟件擬合出頻率與幅值的閾值之間的關(guān)系式，如式(1)所示，Y = AX2+BX+C (1) 式中，系數(shù)A、B、C為常量，X為頻率，Y為幅值的閾值。即在測(cè)量之前，將系數(shù)A、B、C求 出來(lái)；同時(shí)，確定截止幅值和截止頻率。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于在 測(cè)量中，首先要確定流量傳感器輸出信號(hào)中存在的不同頻率信號(hào)的個(gè)數(shù)。對(duì)于流量傳感器， 根據(jù)頻譜分析得到的頻率，通過(guò)式(1)計(jì)算出相應(yīng)頻率點(diǎn)處幅值的閾值；然后，用計(jì)算出來(lái) 的幅值譜的峰值與截止幅值、幅值譜的峰值與幅值的閾值、頻率與截止頻率相比較，只有當(dāng) 這三者的比較結(jié)果同時(shí)為大于時(shí)，才能算作一個(gè)峰值，即才算作存在一個(gè)頻率的信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于確 定振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)中存在的不同頻率信號(hào)的個(gè)數(shù)；只需要判斷振動(dòng)傳感器在這些頻率 點(diǎn)處是否存在信號(hào)；由于振動(dòng)傳感器也可以感受到微弱的流量信號(hào)，如果只與截止幅值相 比較，可能會(huì)認(rèn)為有信號(hào)，這可能造成算法選擇的失誤；但是，設(shè)定幅值的閾值后，由于其幅 值均小于閾值，就認(rèn)為沒(méi)有信號(hào)，這樣就保證了算法選擇的正確。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于比 較流量傳感器和振動(dòng)傳感器中信號(hào)的個(gè)數(shù)；當(dāng)流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)減去 振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)大于或等于1時(shí)，認(rèn)為有流量且其頻率與振動(dòng)頻率不同，此時(shí)，系統(tǒng)切換到頻域相減的方法。
8.如權(quán)利要求1所述的基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，其特征在于當(dāng) 流量傳感器輸出信號(hào)中頻譜峰值的個(gè)數(shù)減去振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)等于0時(shí)，切換到計(jì)算頻率 方差的方法；假設(shè)不同時(shí)刻的同一個(gè)信號(hào)的頻率取值為4， f2， . . . ， 4，其均值為f，則方差 的計(jì)算公式為 <formula>formula see original document page 3</formula>根據(jù)式(2)計(jì)算出頻率方差后，再與頻率方差閾值比較，當(dāng)小于等于該閾值時(shí)，認(rèn)為是 噪聲；當(dāng)大于該閾值時(shí)，認(rèn)為是流量信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加；頻率方差閾值是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 的數(shù)據(jù)來(lái)確定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種以單片機(jī)(MCU)為核心、基于雙傳感器的抗強(qiáng)干擾的數(shù)字渦街流量計(jì)，采用頻域相減和計(jì)算頻率方差相結(jié)合的方法計(jì)算瞬時(shí)頻率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況來(lái)進(jìn)行切換，判斷出流量信息和振動(dòng)噪聲，提取出流量信息，即使在渦街流量信號(hào)能量小于噪聲能量時(shí)，仍然能夠得到準(zhǔn)確的渦街流量信號(hào)頻率，從而排除強(qiáng)噪聲的干擾，確?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01F1/32GK101701834SQ200910185439
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者劉三山, 康一波, 徐科軍, 徐銀江, 王剛, 石磊, 羅清林 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué);重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司