專利名稱：一種基于簡化的快速傅氏變換fft算法的渦街流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體流量測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于簡化的快速傅氏變換 FFT算法的渦街流量計(jì)。
背景技術(shù)：
渦街流量計(jì)是依據(jù)卡門漩渦原理進(jìn)行封閉管道流體流量測量的新型流量計(jì)，通過在流體中安放一個(gè)非流線型漩渦發(fā)生體，使流體在發(fā)生體兩側(cè)交替的分離，釋放出兩串規(guī)則的交錯(cuò)排列的漩渦，且在一定范圍內(nèi)漩渦分離頻率與流量成正比。渦街流量計(jì)可以直接測量氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)，具有壓力損失小，量程范圍大，精度高等特點(diǎn)，是一種比較先進(jìn)、理想的測量儀器。參照圖1，為現(xiàn)有典型的渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)有渦街流量計(jì)包括壓電傳感器 la、信號處理裝置、CPU (Central Processing Unit，中央處理器)2a。其中，信號處理裝置包括前置電荷放大器3a、濾波電路如、信號放大電路5a、閾值比較電路6a、以及第一撥碼開關(guān)組7a、第二撥碼開關(guān)組8a。壓電傳感器Ia輸出的電荷信號經(jīng)所述前置電荷放大器3a轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進(jìn)行前置放大；前置放大后的電壓信號經(jīng)所述濾波電路如濾波，再通過所述信號放大電路如進(jìn)行再次放大，使其幅值滿足所述閾值比較電路6a的要求；所述閾值比較電路6a的比較結(jié)果送入CPU 2a，計(jì)算得到當(dāng)前的大致頻率?，F(xiàn)有的渦街流量計(jì)，使用撥碼開關(guān)組來設(shè)置濾波電路如的濾波帶和信號放大電路如的放大倍數(shù)，使得在任何量程下，對應(yīng)于不同的信號頻率和信號幅值，都只能使用同樣的一組電路參量。這樣不僅使用不方便，而且由于放大倍數(shù)是固定的，所以無法兼顧大信號和小信號的需求，只能采用過放大的方式，在傳感器輸入信號較大時(shí)，造成信號的信噪比降低，使得渦街流量計(jì)的量程較低。例如，對于現(xiàn)有的渦街流量計(jì)，如果量程比希望達(dá)到 30 1，則其輸入信號的幅值將要達(dá)到900 1。而在很多工業(yè)環(huán)境下，有效信號與噪聲之間的信噪比也僅僅只有20 1左右。假設(shè)在某一個(gè)流量時(shí)，有效信號強(qiáng)度為20，噪聲信號強(qiáng)度為1，此時(shí)，現(xiàn)有的渦街流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)正常測量；但是，當(dāng)流量增加到10倍時(shí)，其有效信號強(qiáng)度變?yōu)?00，而噪聲信號強(qiáng)度為100，此時(shí)，采用現(xiàn)有的渦街流量計(jì)時(shí)，噪聲信號將被視為有效信號，導(dǎo)致測量誤差。因此，現(xiàn)有的渦街流量計(jì)無法實(shí)現(xiàn)較高的量程比。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，能夠避免傳統(tǒng)技術(shù)中采用過放大技術(shù)導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重降低的問題，使得渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。本發(fā)明提供一種基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，所述渦街流量計(jì)包括壓電傳感器、信號處理裝置、以及CPU ；
所述壓電傳感器，檢測流體的當(dāng)前流量，輸出電荷信號至所述信號處理裝置；所述信號處理裝置，將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；接收所述CPU發(fā)送的放大倍數(shù)和濾波頻帶，根據(jù)所述放大倍數(shù)對所述電壓信號進(jìn)行放大，再根據(jù)所述濾波頻帶對放大后的電壓信號進(jìn)行濾波處理，并將濾波處理后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU ；同時(shí)，對放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后得到的采樣序列發(fā)送至所述CPU ；所述CPU，對所述脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收到的所述采樣序列進(jìn)行簡化的快速傅氏變換FFT，得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述信號處理裝置，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述信號處理裝置。優(yōu)選地，所述信號處理裝置包括前置電荷放大器、程控放大器、數(shù)控濾波器、閾值比較器、以及比較器陣列；所述前置電荷放大器，將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對所述電壓信號進(jìn)行前置放大后輸出至所述程控放大器；所述程控放大器，根據(jù)接收自所述CPU的放大倍數(shù)對所述前置電荷放大器輸出的電壓信號進(jìn)行二次放大，使得二次放大后的電壓信號滿足所述閾值比較器的要求，并將二次放大后的電壓信號分別發(fā)送至所述數(shù)控濾波器和所述比較器陣列；所述數(shù)控濾波器，根據(jù)接收自所述CPU的濾波頻帶對所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行濾波，并將濾波后的電壓信號輸出至所述閾值比較器；所述閾值比較器，將接收到的所述濾波后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較， 根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU ；所述比較器陣列，對接收到的所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的采樣序列直接發(fā)送至所述CPU。優(yōu)選地，所述CPU，對所述閾值比較器輸出的脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收自所述比較器陣列的采樣序列進(jìn)行簡化的FFT，得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述程控放大器，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述數(shù)控濾波器。優(yōu)選地，所述程控放大器為可編程增益放大器PGA。根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果本發(fā)明實(shí)施例所述基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，通過FFT運(yùn)算獲取壓電傳感器輸出信號的頻率特性和幅值特性，并根據(jù)該頻率特性和幅值特性實(shí)時(shí)調(diào)整所述信號處理裝置的放大倍數(shù)和濾波參數(shù)，使得壓電傳感器的輸出信號的幅值在一個(gè)比較固定的范圍內(nèi)，且能夠?yàn)V除外部噪聲，從而獲得良好的測量效果，有效提高了所述渦街流量計(jì)的信噪比，使得所述渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。


圖1為現(xiàn)有典型的渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于簡化的FFT (Fast Fourier Transformation，快速傅氏變換)算法的渦街流量計(jì)，能夠避免傳統(tǒng)技術(shù)中采用過放大技術(shù)導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重降低的問題，使得渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。參照圖2，為本發(fā)明實(shí)施例所述的基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，所述渦街流量計(jì)包括壓電傳感器11、信號處理裝置、CPU 12。所述壓電傳感器11，檢測流體的當(dāng)前流量，輸出電荷信號至所述信號處理裝置。所述信號處理裝置，將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；接收所述CPU12發(fā)送的放大倍數(shù)和濾波頻帶，根據(jù)所述放大倍數(shù)對所述電壓信號進(jìn)行放大，再根據(jù)所述濾波頻帶對放大后的電壓信號進(jìn)行濾波處理，并將濾波處理后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU 12 ；同時(shí)，對放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC(Anal0g-t0-Digital Converter，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后得到的采樣序列發(fā)送至所述CPU 12。所述CPU 12，對所述脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收到的所述采樣序列進(jìn)行簡化的快速傅氏變換FFT，得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述信號處理裝置，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述信號處理裝置。本發(fā)明實(shí)施例所述基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，通過FFT運(yùn)算獲取壓電傳感器U輸出信號的頻率特性和幅值特性，并根據(jù)該頻率特性和幅值特性實(shí)時(shí)調(diào)整所述信號處理裝置的放大倍數(shù)和濾波參數(shù)，使得壓電傳感器11的輸出信號的幅值在一個(gè)比較固定的范圍內(nèi)，且能夠?yàn)V除外部噪聲，從而獲得良好的測量效果，有效提高了所述渦街流量計(jì)的信噪比，使得所述渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。參照圖2所示，所述信號處理裝置可以包括前置電荷放大器13、程控放大器14、 數(shù)控濾波器15、閾值比較器16、比較器陣列17。所述前置電荷放大器13將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對所述電壓信號進(jìn)行前置放大后輸出至所述程控放大器14。所述程控放大器14，根據(jù)接收自所述CPU 12的放大倍數(shù)對所述前置電荷放大器 11輸出的電壓信號進(jìn)行二次放大，使得二次放大后的電壓信號滿足所述閾值比較器16的要求，并將二次放大后的電壓信號分別發(fā)送至所述數(shù)控濾波器15和所述比較器陣列17。具體的，所述程控放大器14可以采用PGAO^rogrammable Gain Amplifier，可編程增益放大器)來實(shí)現(xiàn)。所述數(shù)控濾波器15，根據(jù)接收自所述CPU 12的濾波頻帶，對接收到的所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行濾波，并將濾波后的電壓信號輸出至所述閾值比較器16。所述閾值比較器16將接收到的所述濾波后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU 12。所述比較器陣列17，對接收到的所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的采樣序列直接發(fā)送至CPU 12進(jìn)行計(jì)算。對應(yīng)的，所述CPU 12，對所述閾值比較器16輸出的脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收自所述比較器陣列17的采樣序列進(jìn)行簡化的快速傅氏變換FFT，得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述程控放大器14，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述數(shù)控濾波器15。具體的，本發(fā)明實(shí)施例中，可以采用8比較器陣列，實(shí)現(xiàn)對所述放大后的電壓信號的精度為3位的快速ADC轉(zhuǎn)換。需要說明的是，對所述快速ADC轉(zhuǎn)換的采樣速率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置可以依據(jù)以下原則首先，根據(jù)所述渦街流量計(jì)的口徑、被測量的流體的介質(zhì)狀態(tài)，確定所述壓電傳感器 11輸出信號的頻率范圍；然后，根據(jù)所述工作頻率范圍，設(shè)定所述快速ADC轉(zhuǎn)換的采樣速率。原則上，所述快速ADC轉(zhuǎn)換的采樣速率設(shè)置為不低于最大工作頻率的2倍。例如，對于口徑為DN50(即為公稱直徑為50mm)的渦街流量計(jì)，當(dāng)被測量的流體為氣體時(shí)，其工作頻率范圍是42 U80Hz，則所述快速ADC變換的采樣頻率可以設(shè)置為 ^OOHz。所述快速ADC變換的采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)。按照周期圖譜分析方法的誤差公式，相應(yīng)的可以計(jì)算得到最惡劣情況下，擬合誤差也不大于11%。再例如，同樣是口徑為DN50的渦街流量計(jì)，當(dāng)被測量的流體為液體時(shí)，其工作頻率范圍是6. 3 190Hz，則所述快速ADC變換的采樣頻率可以設(shè)置為400Hz。所述快速ADC 變換的采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)。按照周期圖譜分析方法的誤差公式，相應(yīng)的可以計(jì)算得到最惡劣情況下，擬合誤差也不大于11%。所述CPU 12，根據(jù)接收自所述比較器陣列17的采樣序列，對該采樣序列進(jìn)行簡化的FFT，計(jì)算得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性。所述CPU 12對所述采樣序列的幅值特性進(jìn)行分析，得到經(jīng)所述程控放大器14 二次放大后的電壓信號的最大幅值，根據(jù)上一個(gè)采樣周期內(nèi)的最大幅值，設(shè)置所述程控放大器14的放大倍數(shù)，來調(diào)整所述程控放大器14，其目的在于使所述經(jīng)程控放大器14 二次放大后的電壓信號在930 1320mV之間，即對應(yīng)的ADC采樣值在5 7之間。同時(shí)，所述CPU 12根據(jù)計(jì)算得到的所述采樣序列的頻率特性，設(shè)置所述數(shù)控濾波器15的濾波頻帶。例如，假設(shè)當(dāng)前的頻率為200Hz，則可以設(shè)置所述數(shù)控濾波器15的濾波頻帶為150 220Hz，實(shí)現(xiàn)對低頻擾動和高頻噪聲進(jìn)行抑制，從而提高信噪比。本發(fā)明實(shí)施例中，通過對程控放大器14的放大倍數(shù)和數(shù)控濾波器15的濾波頻帶的動態(tài)調(diào)整，不僅使得經(jīng)過調(diào)理后的信號可以滿足所述閾值比較器16的需求，同時(shí)又能夠控制程控放大器14的放大倍數(shù)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，而不會對噪聲進(jìn)行過放大，從而可以保證信號處理裝置的信噪比，有效提高了所述渦街流量計(jì)的信噪比，使得所述渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中，對流體瞬時(shí)流量測量的精度只要取決于對所述閾值比較器16輸出的脈沖序列測量的精度，而不是取決于FFT的計(jì)算精度。因此，采用簡化的FFT運(yùn)算，所述FFT運(yùn)算只是需要給出大致的頻率特性和幅值特性即可，并且對FFT運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求也比較低，其存儲量和計(jì)算量都大大降低。因此，本發(fā)明實(shí)施例的FFT運(yùn)算對CPU要求比較低，可以應(yīng)用低功耗的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而可以廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)上的4 20mA應(yīng)用。 以上對本發(fā)明所提供的一種基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，其特征在于，所述渦街流量計(jì)包括壓電傳感器、信號處理裝置、以及CPU ；所述壓電傳感器，檢測流體的當(dāng)前流量，輸出電荷信號至所述信號處理裝置； 所述信號處理裝置，將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；接收所述CPU發(fā)送的放大倍數(shù)和濾波頻帶，根據(jù)所述放大倍數(shù)對所述電壓信號進(jìn)行放大，再根據(jù)所述濾波頻帶對放大后的電壓信號進(jìn)行濾波處理，并將濾波處理后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU;同時(shí)，對放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后得到的采樣序列發(fā)送至所述CPU ；所述CPU，對所述脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收到的所述采樣序列進(jìn)行簡化的快速傅氏變換FFT，得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述信號處理裝置，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述信號處理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，其特征在于，所述信號處理裝置包括前置電荷放大器、程控放大器、數(shù)控濾波器、閾值比較器、以及比較器陣列；所述前置電荷放大器，將接收到的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對所述電壓信號進(jìn)行前置放大后輸出至所述程控放大器；所述程控放大器，根據(jù)接收自所述CPU的放大倍數(shù)對所述前置電荷放大器輸出的電壓信號進(jìn)行二次放大，使得二次放大后的電壓信號滿足所述閾值比較器的要求，并將二次放大后的電壓信號分別發(fā)送至所述數(shù)控濾波器和所述比較器陣列；所述數(shù)控濾波器，根據(jù)接收自所述CPU的濾波頻帶對所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行濾波，并將濾波后的電壓信號輸出至所述閾值比較器；所述閾值比較器，將接收到的所述濾波后的電壓信號與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的脈沖序列至所述CPU ；所述比較器陣列，對接收到的所述二次放大后的電壓信號進(jìn)行快速并行ADC轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的采樣序列直接發(fā)送至所述CPU。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，其特征在于，所述CPU，對所述閾值比較器輸出的脈沖序列進(jìn)行采集，得到該脈沖序列的頻率信號，并轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量；同時(shí)，對接收自所述比較器陣列的采樣序列進(jìn)行簡化的FFT， 得到所述采樣序列的頻率特性和幅值特性，根據(jù)所述幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)，發(fā)送至所述程控放大器，并根據(jù)所述頻率特性，設(shè)置濾波頻帶，發(fā)送至所述數(shù)控濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，其特征在于，所述程控放大器為可編程增益放大器PGA。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于簡化的快速傅氏變換FFT算法的渦街流量計(jì)，包括壓電傳感器檢測流體的當(dāng)前流量，輸出電荷信號；信號處理裝置，將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，對電壓信號進(jìn)行放大和濾波，并將濾波后電壓信號與預(yù)設(shè)參考值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的脈沖序列，同時(shí)對放大后電壓信號進(jìn)行快速并行ADC轉(zhuǎn)換，得到采樣序列發(fā)送至CPU；CPU對脈沖序列進(jìn)行采集，得到頻率信號轉(zhuǎn)化為流體當(dāng)前的瞬時(shí)流量，同時(shí)對采樣序列進(jìn)行簡化的FFT，得到采樣序列的頻率特性和幅值特性，設(shè)置放大倍數(shù)和濾波頻帶，發(fā)送至信號處理裝置。采用本發(fā)明，能夠避免傳統(tǒng)技術(shù)中采用過放大技術(shù)導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重降低的問題，使得渦街流量計(jì)的可用量程比得到有效擴(kuò)展。
文檔編號G01F1/32GK102435234SQ20111029616
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者汪金, 王長密, 賈建鐘, 馬小永 申請人:北京中銳智誠科技有限公司