一種基于多傳感器信息融合的渦街流量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及渦街流量計(jì)中基于多信息融合的渦街信號(hào)處理方法，屬于流體流量測(cè) 量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 流量計(jì)量作為檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占用重要的地位。在諸多類 型的流量?jī)x表中，渦街流量計(jì)根據(jù)流體力學(xué)中著名的"卡曼渦街"原理實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，在一 定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦分離的頻率正比于管道內(nèi)流體的平均流速，從而由渦街信號(hào)頻率 得到流體的流速進(jìn)而得到流體的流量。由于渦街流量計(jì)具有無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，可以適用于 多種介質(zhì)的測(cè)量，壓力損失小，測(cè)量精度高，輸出信號(hào)頻率與流量成正比等優(yōu)點(diǎn)，在輕工、化 工、電力、冶金、城市公用事業(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。
[0003] 壓電式渦街流量計(jì)是最傳統(tǒng)也是最常用的渦街流量計(jì)，由于壓電傳感器具有響應(yīng) 快、信號(hào)強(qiáng)、工藝好、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)的應(yīng)力式渦街流量計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。
[0004] 然而傳統(tǒng)的壓電式渦街流量計(jì)只是對(duì)壓電晶體輸出的混合信號(hào)進(jìn)行分析，在實(shí)際 使用過(guò)程中有兩大缺點(diǎn)：一是壓電傳感器對(duì)機(jī)械振動(dòng)非常敏感，也就導(dǎo)致了壓電式渦街流 量計(jì)的不抗振性。二是在外界強(qiáng)噪聲振動(dòng)情況下，噪聲信號(hào)的強(qiáng)度高于有用渦街信號(hào)的強(qiáng) 度，傳統(tǒng)的渦街信號(hào)處理方法得到的頻率值與渦街信號(hào)真實(shí)的頻率值相差較大，因此數(shù)字 帶通濾波器的濾波效果也很差，所以最后測(cè)得的渦街信號(hào)頻率值的精度很低。
[0005] 卡爾曼濾波被稱為最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，卡爾曼濾波器是在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)， 且適用于多維情況。被卡爾曼濾波器處理的信號(hào)無(wú)有用和無(wú)用之分，濾波的目的是要估計(jì) 出所有被處理信號(hào)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，卡爾曼濾波被廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。在非 線性卡爾曼濾波中，無(wú)跡卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter)算法應(yīng)用最為廣泛，相比 一般的非線性卡爾曼濾波，具有計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，更便于實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)的壓電式渦街流量計(jì)在外界強(qiáng)噪聲振動(dòng)干擾的情況 下出現(xiàn)抗振性差、下限流量高、量程比小等缺點(diǎn)，提出了一種基于多信息融合的渦街流量計(jì) 及渦街信號(hào)處理方法。該方法能提高渦街信號(hào)測(cè)量的信噪比，增強(qiáng)壓電式渦街流量計(jì)的抗 振性，降低最小流速測(cè)量下限，拓寬量程比。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于多信息融合的渦街流量 計(jì)，包括壓電傳感器和差壓傳感器，所述差壓傳感器的正端放置在鈍體內(nèi)部的迎流面，負(fù)端 放置在鈍體的下游；所述差壓傳感器兩端感受到的是鈍體迎流面上的全壓力和鈍體下游 的靜壓力之差，得到鈍體前后差壓的平均值Δ/7，外界噪聲振動(dòng)對(duì)差壓傳感器的測(cè)量影響較 小，因此知的方差較小，每與流體密度和流體流速的平方成正比，可表示為： CN 105181031 A I兄明書 2/3 頁(yè)
[0009] 其中Cp為壓力系數(shù)；P為流體密度；U為流體流速。
[0010] 所述壓電傳感器放置在鈍體的下游，輸出由卡門渦街原理產(chǎn)生的流體振動(dòng)和外界 噪聲振動(dòng)共同作用下的壓電信號(hào)；對(duì)壓電信號(hào)進(jìn)行譜分析和在時(shí)域里進(jìn)行浮動(dòng)電平切割， 得到壓電信號(hào)的頻率值f，可表示為：
[0011] f = k · U ⑷
[0012] 其中k為儀表常數(shù)；U為流體流速。
[0013] 壓電傳感器檢測(cè)外界振動(dòng)來(lái)測(cè)量流體流速，因此壓電傳感器對(duì)外界振動(dòng)干擾很敏 感，f的方差較大。
[0014] 進(jìn)一步地，所述渦街流量計(jì)還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器測(cè)得的溫度值用 來(lái)補(bǔ)償差壓傳感器和壓電傳感器的溫漂。
[0015] -種利用上述渦街流量計(jì)進(jìn)行流體流速測(cè)量的方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟一：差壓傳感器測(cè)得鈍體前后差壓的平均值
[0017] 步驟二：?jiǎn)为?dú)對(duì)差壓傳感器測(cè)得的差壓信號(hào)每進(jìn)行UKF濾波，得到一個(gè)初步的流 速值u，根據(jù)公式fp= k · u，將該流速值換算得到渦街信號(hào)的頻率f p，其中k為儀表常數(shù)。
[0018] 對(duì)差壓信號(hào)^進(jìn)行UKF濾波時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)向量
其中dp為密度的一 階微分，du為速度的一階微分。
[0019] 步驟三：對(duì)壓電傳感器采集到的渦街信號(hào)進(jìn)行譜分析和浮動(dòng)電平切割，記錄頻譜 圖中最高峰值、次高峰值、第三和第四高峰值對(duì)應(yīng)的頻率值fn(η = 1，2, 3, 4)。
[0020] 步驟四：若仁中存在與f ρ相差不大的頻率值，即存在f η (η = 1，2, 3, 4)使I fn_fp< Δ f時(shí)，在匕中找出與fp最為接近的一個(gè)值作為壓電信號(hào)譜分析的最終結(jié)果f，即在fn (n=1，2, 3, 4)中找出一個(gè)頻率值使I fn-fp I的值最小，然后執(zhí)行步驟五；若仁的所有值都與 fp相差較大，即當(dāng)I f n-fp I彡Δ f (η = 1，2, 3, 4)時(shí)，不執(zhí)行步驟五，直接將fp作為帶通濾波 器的中心頻率值f。?！?f的具體取值可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定獲得。
[0021] 步驟五：構(gòu)造聯(lián)邦濾波器。差壓信號(hào)涵的UKF濾波和頻率信號(hào)f的UKF濾波作為 聯(lián)邦濾波器的兩個(gè)子濾波器，根據(jù)該聯(lián)邦濾波器求得最后的流速值U，然后再根據(jù)公式（2) 換算頻率f。。
[0022] 對(duì)頻率信號(hào)f進(jìn)行UKF濾波時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)向量
[0023] 步驟六：將渦街信號(hào)頻率值f。作為窄帶寬數(shù)字帶通濾波器的中心頻率來(lái)設(shè)置數(shù)字 帶通濾波器的系數(shù)，再使用該數(shù)字帶通濾波器對(duì)壓電傳感器輸出的壓電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字帶通 濾波，得到含有極少量雜波的穩(wěn)定渦街信號(hào)；
[0024] 步驟七：步驟六得到的穩(wěn)定渦街信號(hào)是含有極少量噪聲的正弦信號(hào)，運(yùn)用施密特 觸發(fā)器將渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量方波的頻率值得到穩(wěn)定渦街信號(hào) 的頻率值fm，測(cè)算出流體的流速U，即U = f^/k，k為儀表常數(shù)。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是，采用無(wú)跡卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter, UKF)算 法對(duì)差壓傳感器和壓電傳感器的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，在外界強(qiáng)噪聲振動(dòng)干擾情況下，依 然能得到一個(gè)與真實(shí)渦街信號(hào)頻率值接近的數(shù)字帶通濾波器中心頻率值，提高數(shù)字帶通濾 波器的濾波效果，得到穩(wěn)定的渦街信號(hào)。傳統(tǒng)的渦街流量計(jì)直接將壓電信號(hào)頻譜圖中最高 峰對(duì)應(yīng)的頻率值作為寬帶寬數(shù)字帶通濾波器的中