摘要  綜述了國內(nèi)外在渦街流量計研究中的信號處理方法。簡單介紹了日本、美國等數(shù)家公司的信號處理系統(tǒng)原理以及國內(nèi)關(guān)于渦街流量計信號處理的幾種有代表性的方法。在此基礎(chǔ)上還介紹了作者自行研制的以數(shù)字信號處理器為處理核心的渦街流量計信號處理系統(tǒng)的軟、硬件框圖。

關(guān)鍵詞   渦街流量計   信號處理   研究現(xiàn)狀

0  引言

   渦街流量計是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的一種基于液體振動原理的流量計。20世紀(jì)70年代初，商品化的渦街流量計在穩(wěn)定流體計量中的可靠性和精確性，不僅如此，它的優(yōu)點還包括儀表內(nèi)無機(jī)械可動部件，被測流體本身就是振動體，性能可靠；使用壽命長；測量流體幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；可以適用液體、氣體和蒸汽的測量，介質(zhì)適應(yīng)性寬，測量精度較高；壓力損失小，量程比寬；可直接輸出數(shù)字信號等。

渦街流量計本質(zhì)上是流體振動型流量計，因此它對外界振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感，它不僅可以感受傳感器受到的渦街力，還可以感受到傳感器受到的其他力，如管道振動、管道流體的沖擊力以及由于流體壓力的變化，產(chǎn)生的隨機(jī)脈動壓力等，現(xiàn)場的干擾對流量測量產(chǎn)生很大的影響。目前，將渦街流量計用于流量測量，需要研究的關(guān)鍵性問題：一是抑制流場噪聲的影響，流場的穩(wěn)定性、均勻性不僅對卡門渦街的形成和分離有影響，而且對各種敏感元件的檢測效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信號，降低了性噪比；二是準(zhǔn)確測量小流量，因為小流量所產(chǎn)生的橫向升力較小，檢測信號非常微弱，易受流體沖擊振動噪聲和管道振動噪聲的影響，存在一個量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小流量不能測量。例如渦街流量計的理論量程比為100∶1，而目前實際的量程比最大的為10∶1。

國內(nèi)外的專家學(xué)者為解決渦街流量計應(yīng)用中的關(guān)鍵性問題，作了大量的工作，取得了顯著的成績，推進(jìn)了渦街流量計的研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    為了改善流量計的抗干擾性能，降低它的量程下限，國內(nèi)外研究學(xué)者做了大量的工作，歸納起來主要在三個方面：①研究旋渦發(fā)生體的現(xiàn)狀對流量計性能的影響。Pankain從優(yōu)化非流線體幾何結(jié)構(gòu)和傳感器安裝位置的角度，研究了提高信號質(zhì)量、頻率穩(wěn)定性和流量計線性度的方法^[1]；②研究渦街流量計工作環(huán)境流體狀態(tài)的影響。Mottram和Rawat研究了脈動的流體對渦街流量計測量精度的影響^[2]。Lanevile研究了漩流的情況對流量計輸出信號的影響^[3]；③將數(shù)字信號處理方法應(yīng)用于流量計，處理傳感器的輸出信號，提取渦街信號頻率。數(shù)字信號處理方法應(yīng)用于渦街流量計，可以解決流量測量中存在的一些難題，是目前新技術(shù)流量計發(fā)展的主要方向。本文重點論述數(shù)字信號處理方法在渦街流量計中的應(yīng)用。

1.1 國外研究狀況

1990年，Schlatter等人研究了渦街流量計工作條件下的噪聲情況，提出了強(qiáng)干擾條件下信號處理方案^[4]。這種強(qiáng)噪聲具有以下特點：①幅值與渦街信號的幅度相當(dāng)或高于渦街信號；②頻率在渦街信號頻率范圍內(nèi)；③當(dāng)管道等一定時，噪聲頻率是確定的。但噪聲信號和渦街流量信號特性不同，在實際測量中，渦街信號在時間軸上是緩慢變化的，變換到頻域，結(jié)果是一寬帶信號。對于固定的管道，噪聲是恒定的,變換到頻域是一窄帶波形。在建立噪聲模板和信號模板的基礎(chǔ)上，提出用頻域轉(zhuǎn)換和互相關(guān)功率譜相結(jié)合的方法來消除流量測量中的強(qiáng)噪聲，即利用互相關(guān)方法，檢測出噪聲，從而消除噪聲，再利用頻譜分析得到渦街信號的準(zhǔn)確頻率，同時研制了以微處理器（TMS320C10）為核心的測量裝置。但是，這種方法只針對某種特定的噪聲，實際中噪聲情況多種多樣，不易獲得所有噪聲的模板。

1992年，Kawano通過增強(qiáng)非流線體的剛度和自適應(yīng)低通濾波方法來提高流量計的性噪比^[5]，并采用自適應(yīng)低頻信號介質(zhì)辨識器，根據(jù)信號頻率來調(diào)整濾波器的截止頻率，使流量計的抗干擾性能得到了改善，但是，由于限制了頻率，無法測量小流量，量程也受到了限制。

1993年，Amadi－E研究了工作環(huán)境的噪聲對旋渦脫離頻率的影響[6]，分別給出了在現(xiàn)場離心泵、容積式泵和震動器工作情況下，流量計傳感器輸出信號，采用基于FFT的譜分析來計算渦街信號頻率，提高了流量計的測量精度。同時使用系統(tǒng)辨識技術(shù)，根據(jù)渦街流量計輸出信號變化來檢測工作現(xiàn)場的情況。

Miau專門研究了沖擊振動情況下對壓電式渦街流量計輸出的影響^[7]，通過改進(jìn)傳感器的設(shè)計降低傳感器對脈沖振動，在傳感器和電荷放大器之間加入低通濾波器，去除脈沖振動產(chǎn)生的尖峰噪聲。

1997年，Menz首次將傳感器融合應(yīng)用于流量計測量^[8]，研究了以超聲波為探測元件的渦街流量計，超聲波渦街流量計可以直接測量渦街信號頻率，然后計算出流量，也可以先測出兩個測量點之間旋渦通過的時間，再計算流量。將兩種測量原理結(jié)合在一起，將兩種測量方法的測量結(jié)果進(jìn)行融合，得到新的流量值，提高了流量測量的精度，削弱流體噪聲的影響。

不僅國外大量學(xué)者致力于流量計關(guān)鍵問題的研究，而且世界上很多生產(chǎn)渦街流量計的公司，諸如Yokagawa,Foxboro,Rosemount等也在進(jìn)行著流量計新技術(shù)的研究。

Yokagawa是世界最早生產(chǎn)渦街流量計的公司^[9]，1968年生產(chǎn)出世界上第1臺渦街流量計。在渦街流量計技術(shù)研究中Yokagawa公司一直處于領(lǐng)先地位，它研制地數(shù)字渦街流量計（YEWELO），以微處理器為核心，采用頻譜信號處理（spectral signal processing）技術(shù)，利用信號頻譜分析的結(jié)果，結(jié)合最佳噪聲比搜索算法，調(diào)整帶通濾波器（band psss filter,BFP）,除去噪聲，提高流量測量精度。該公司的壓電式渦街流量計采用兩片壓電元件作為檢測元件，上下兩片壓電元件極化方向相反，如圖1所示。

       圖1  壓電式渦街流量計

                    (1)

                              (2)

式中： 為上片壓電元件的輸出電荷；S1為上片壓電元件的信號成分；N1為上片壓電元件的噪聲成分；Q2為下片壓電元件的輸出電荷；S2為下片壓電元件的信號成分；N2為下片壓電元件的噪聲成分。

將式（1）加上 乘以式（2），得：

·

            =                        （3）

如果 ，且 ，則噪聲成分將受到抑制。最佳噪聲比搜索算法就是要找到 。系統(tǒng)原理框圖和頻譜分析結(jié)構(gòu)框圖分別如圖2和圖3所示。

                    圖2 系統(tǒng)原理框圖

              HPF-高通濾波器；LPF-低通濾波器

                   圖3  頻譜分析結(jié)構(gòu)框圖

Rosement公司研制了以數(shù)字跟蹤濾波器（digitaltracking filter）為核心的渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)^[10]，數(shù)字跟蹤濾波器由一系列具有不同截止頻率高低通濾波器組成，處理器根據(jù)渦街信號的特點，選擇合適的濾波器處理輸入信號。采用數(shù)字濾波器提高了流量測量和控制的可靠性和準(zhǔn)確性。

Foxboro公司采用自適應(yīng)濾波（adaptive filter）技術(shù)來提高流量測量的精度^[11]。渦街傳感器的信號通過帶通濾波器進(jìn)行處理，該帶通濾波器的截止頻率根據(jù)渦街信號的測量頻率動態(tài)調(diào)整，當(dāng)測量頻率變化很小時，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置為跟蹤信號頻率變化；當(dāng)測量頻率變化比較大時，設(shè)置為搜索頻率模式，初始化濾波器，重新測量渦街頻率，這樣避免了濾波器跟蹤到噪聲頻率。

1.2 國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)的專家學(xué)者也在不斷作出努力，采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)，解決應(yīng)用上的關(guān)鍵問題。

重慶大學(xué)蒙建波等采用基于最小均方自適應(yīng)算法建立流量信號的五階自回歸模型，計算其功率譜，從而確定主信號頻率^[12]。由漩渦發(fā)生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機(jī)構(gòu)成測量系統(tǒng)，驗證了譜分析方法用于渦街流量計信號處理的可行性。但是，沒有研究計算的精度、實時性和小型化等關(guān)鍵技術(shù)問題，沒有應(yīng)用于實際的流量測量中。此外，我們的研究證明，這種方法對諧波干擾的抑制能力較差。

重慶工業(yè)自動化儀表研究所的專家和北京公用事業(yè)研究所的專家分別針對工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、管道振動干擾和流場干擾，研究了渦街流量計在屏蔽、結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝上的對策。同時認(rèn)為，在電路和信號處理方面可以有效地抑制振動噪聲^[13]。

長沙礦山研究院和浙江大學(xué)機(jī)電控制研究所從傳感器入手，研究提高渦街流量計抗振性能和擴(kuò)展量程下限的途徑。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)龔振起等將自適應(yīng)處理方法應(yīng)用于渦街流量計，采用線性預(yù)測譜估計法進(jìn)行頻譜分析，獲得希望的信號頻率^[14]。

合肥工業(yè)大學(xué)自動化研究所從上個世紀(jì)90年代起，開展了流量計的研究，將數(shù)字信號處理方法應(yīng)用于渦街流量計中，并研制了以DSP為核心的處理系統(tǒng)。主要的數(shù)字信號處理方法有：

①基于FFT的經(jīng)典譜分析方法^[15]。直接用傅立葉變換對有限時間序列計算功率譜，求取信號頻率。該方法能有效抑制諧波干擾，但在非整周期采樣時，有較大的泄漏誤差，必須利用頻譜校正方法來提高測量精度。

②基于Burg算法的現(xiàn)代譜估計方法——最大熵譜法^[16]。最大熵譜法先建立自回歸模型，再計算功率譜。采樣Burg算法，以正反向線性預(yù)測誤差能量的平方和最小為準(zhǔn)則，來估計自回歸模型的系數(shù)。特別易于短序列的譜分析。

③自適應(yīng)陷波抑制一個特定的頻率，并且不受位于帶寬以外的頻率影響。研究證明該方法在非整周期采樣、諧波和噪聲干擾情況下頻率測量都能達(dá)到較好精度，但存在不能準(zhǔn)確測量幅值的問題。

④小波分析方法^[18]。小波變換可以作為一組帶通濾波器，用來對渦街傳感器信號進(jìn)行濾波，去除噪聲，以便準(zhǔn)確提取頻率信息。采用緊支集二次樣條小波函數(shù)，利用小波變換的低通和帶通濾波特性，可以把原始信號中的不同頻率的信號成分分離出來。

⑤功率譜分析方法和互相相關(guān)方法。利用該方法解決強(qiáng)干擾條件下渦街流量計測量問題。其首先將頻率測量范圍分段，在不同頻段建立噪聲模板，然后用混合信號的功率譜與噪聲模板作互相關(guān)，提取噪聲，再利用插值法消除噪聲，最后對消除噪聲的信號進(jìn)行頻譜分析，計算出頻率，利用頻譜校正法提高計算精度^[19]。

⑥自適應(yīng)濾波方法^[20]。利用該方法準(zhǔn)確測出傳感器輸出信號的頻率及在該頻率下的幅值，通過換算測得質(zhì)量流量。自適應(yīng)濾波方法采用十抽一濾波器和高低通濾波器。其不足之處是采樣點數(shù)多，計算時間長，實時性差。

研制成功以數(shù)字信號處理器(DSP)為處理核心的渦街流量計信號處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示，軟件框圖如圖5示。它采用周期圖譜分析的方法對渦街流量傳感器的信號進(jìn)行數(shù)字處理，計算出信號頻率，測量出流量。該系統(tǒng)在安徽省流量儀表計量鑒定站的水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行性能測試，線性度達(dá)到0.11596％，重復(fù)性為0.0264575％。

                 圖4  系統(tǒng)硬件框圖

                圖5  系統(tǒng)軟件框圖

1.3 研究重點

    總結(jié)以上工作，作者認(rèn)為在數(shù)字信號處理方法應(yīng)用上還存在一些問題，研究的重點主要有以下方面：

①已經(jīng)研究了干擾信號與渦街信號在一頻段的情況，當(dāng)渦街信號和干擾信號的頻率在同一頻段且頻率非?？拷鼤r，如何分辨這兩種信號，如何消除噪聲信號的頻譜對渦街信號頻譜的干涉；

②研究小波分析時，所選用小波幅頻特性的過渡帶不夠陡，使得它分頻特性不好，造成頻率分辨率不夠高；同時，靠近渦街頻率的諧波不易濾干凈，將會影響測量精度，因此還需要研究小波函數(shù)的選取、分級，小波濾波器的幅頻特性和中心頻率的調(diào)整，采樣頻率和采樣點數(shù)如何確定，以及在軟件編程中，如何優(yōu)化算法，使計算量少、內(nèi)存占用量少和運(yùn)算誤差小，以保證體積小、實時性好和計算精度；

③研究強(qiáng)干擾噪聲是以建立某種噪聲的模板為基礎(chǔ)，如何建立一種通用的模板，真正解決強(qiáng)干擾下渦街信號和噪聲的判別、分離及提取問題；

④在傳感器條件一定的情況下，如何利用信號處理技術(shù)擴(kuò)大量程比，提高小流量測量精度；

⑤全面、深入地研究流場噪聲以及它們對渦街信號影響。

2  結(jié)束語

   國內(nèi)外的研究工作已部分解決了工程應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題，推進(jìn)了渦街流量計的應(yīng)用，同時為進(jìn)一步研究創(chuàng)造了條件。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)，智能儀表技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，渦街流量計的研究內(nèi)容更加豐富。綜合國內(nèi)外研究狀況，作者認(rèn)為，渦街流量計研究的發(fā)展方向集中在以下方面：

①先進(jìn)的傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，消除任何方向的振動干擾，穩(wěn)定旋渦；

②采用全數(shù)字化現(xiàn)場總線的智能渦街流量計；

③應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字信號處理方法，更好的解決干擾問題，提高流量測量精度；

④實現(xiàn)真正質(zhì)量流量測量。

渦街流量計是基于流體振動原理的流量計，具有一系列獨特的優(yōu)點，在計量檢測中發(fā)揮越來越大的作用，應(yīng)用前景非常廣闊，因此渦街流量計的研究將具有重要的意義。