流體振動式流量計自適應fft功率譜分析信號處理方法

2023-05-14 13:21:41

專利名稱：流體振動式流量計自適應fft功率譜分析信號處理方法
技術領域：
本發明涉及應用於流體振動式流量計的信號處理方法，尤其涉及一種流體 振動式流量計自適應FFT功率譜分析信號處理方法。
背景技術：
流體振動式流量計利用特定結構誘發流體流經其一次傳感器時產生振動， 並通過二次儀表檢測振動頻率來確定流體速度或流量。目前，流體振動流量計 應用廣泛，但測量原理決定了其計量易受到外界噪聲的幹擾，尤其是在流量小 振動頻率低時，噪聲導致一次傳感器輸出信號信噪比欠佳，難以檢測有效振動 信號，影響計量性能。因此，尋找合適的信號處理方法，改善流量計抗噪性能 及小流量時計量性能，對流體振動式流量計極為重要。目前，流體振動式流量 計採用的信號處理方法可分為模擬信號處理和數位訊號處理兩種。
傳統的模擬信號處理一般由硬體電路來實現，即流量傳感器測得的信號經 過電路的放大、濾波、限幅、整形後，將脈衝信號送入微處理器進行計數，從 而獲得被測介質的瞬時和累計流量。用硬體電路計算頻率，實時性好，但是對 外界振動幹擾敏感，機械振動和流場幹擾使信號幅值變化很大，可能導致誤觸 發或丟步現象，造成測量誤差，而在流量小的低頻段，這一問題尤為突出。因 此，人們一般通過規定下限截止頻率，限制量程比來解決此問題，但這樣就提 高了流量計計量的下限，導致量程比較小。
近些年來，人們開始嘗試用數位訊號處理代替硬體電路來解決上述問題。 數位訊號處理技術具有靈活、精確、抗幹擾性強、速度快等突出優點，這些都 是模擬信號處理技術所無法比擬的。目前，用於流體振動式流量計的數位訊號 處理方法主要有互相關法、譜分析法、小波變換法等。其中應用的較多的是譜 分析的方法，它能夠從含有噪聲的信號中提取有效振動信號的主頻率。然而， 現有FFT功率譜分析方法中都採用單一的採樣頻率，由於信號頻率未知，採樣 頻率一般根據香農定理，設定為2倍最大流量對應信號頻率值。同時，為滿足 流量計電池供電的要求，又需採用低功耗單片機進行FFT功率譜分析，而非功 耗較大的DSP，單片機有限的存儲空間限制了採樣點數。因此，現有數位訊號 處理方法雖有效解決了抗噪問題，改善了流量計重複性，但受單片機有限的存 儲空間限制，低流速時較大的採樣頻率、較低的採樣點數將使頻率解析度無法
達到要求，從而引起測量誤差，導致流量計小流量測量性能仍不令人滿意。

發明內容
本發明的目的在於提供一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信號 處理方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
信號處理模塊設置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪
聲的一次傳感器輸出信號Sl輸入信號處理模塊，經信號處理模塊對一次傳感器 輸出信號Sl進行自適應FFT功率譜分析處理後，輸出去噪後的有效振動脈衝信 號S3，提供給流量計二次儀表用於流量計算，以提高流量計抗噪性能並降低測 量下限。
所述信號處理模塊由用於模擬信號處理的硬體電路與用於數位訊號處理的 單片機組成， 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進入信號處理模塊， 一路經過硬體 電路，對信號進行放大、濾波、限幅及整形的模擬信號處理，預判振動信號頻 率範圍，單片機以此為依據實現採樣頻率的自適應調整，以合適的採樣頻率對 另外一路直接進入單片機的一次傳感器輸出信號Sl進行採樣，進而通過FFT功 率譜分析輸出最終用於計算流量的有效振動脈衝。
所述採用自適應的FFT功率譜分析方法，單片機根據模擬處理結果判斷信 號頻率所處範圍，進而與預設的分段頻率進行比較，選取與之匹配的採樣頻率 並對原始振動信號進行採樣，使FFT功率譜分析時信號採樣頻率可根據信號頻 率進行自行調整，而非單一固定的採樣頻率，可在不發生頻率混疊的同時保證 頻率解析度要求。
所述信號處理模塊還具備使能埠，在流量計測量時，流量計二次儀表通 過使能埠C1喚醒信號處理模塊進入工作狀態，測量結束後，信號處理模塊自 動進入低功耗休眠狀態，以此實現信號處理模塊在低功耗流量計中的應用。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是
避免了硬體電路模擬信號處理存在的丟步與誤觸發現象，並克服了傳統單 一採樣頻率FFT功率譜分析方法不能同時適用於高低頻計量的弊端，以自適應 的方式尋找合理的採樣頻率，提高了低頻時的頻率解析度，可有效改善流量計 測量精度並降低計量下限，適用於流體振動式流量計，尤其適用於電池供電的 流體振動式流量計。


圖1是模塊結構及信號流程圖。
圖2是模塊軟體工作流程圖。 圖3是信號示意圖。
圖中1、流量計一次傳感器，2、信號處理模塊，3、流量計二次儀表，①、 前置放大電路，②、濾波電路，◎、限幅電路， 、整形電路，⑤、單片機， Sl、 一次傳感器輸出信號，S2、模擬信號處理後信號，S3、有效振動脈衝信號， Cl、使能埠
具體實施例方式
如圖1所示，信號處理模塊2介於流量計一次傳感器1與流量計二次儀表3 之間，以帶有噪聲的一次傳感器輸出信號Sl為輸入，輸出去噪後的有效振動脈 衝S3，提供給流量計二次儀表3用於流量計算。信號處理模塊2內部採用模擬 信號處理與數位訊號處理相結合的方式。 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進入信 號處理模塊2，其中一路經過由前置放大電路①、濾波電路②、限幅電路③及整 形電路④組成的硬體電路進行模擬處理，最後模擬信號處理後信號S2進入單片 機 。單片機⑤內部存有數位訊號處理程序，並已將信號頻率劃分為幾個頻段， 給出了每個頻段信號合適的採樣頻率值。單片機⑤根據模擬信號處理後信號S2 預判信號頻率範圍，並根據所處頻段選定合適的採樣頻率值。同時，另一路一 次傳感器輸出信號S1被直接引到單片機⑤的A/D輸入埠，單片機⑤以選定的 採樣頻率對一次傳感器輸出信號Sl進行採樣，並以FFT功率譜分析方式實現數 字信號處理，獲得準確的有效振動信號頻率。最終，單片機⑤輸出有效振動脈 衝S3給流量計二次儀表3，用於計算流量。
上述處理過程中，採樣頻率分段是通過考慮香農採樣定理和頻率解析度要 求來設定的。假設模擬信號處理後信號S2頻率為Fv，單片機⑤根據此頻率Fv 選擇下一次AD採樣的採樣頻率f，選擇的依據為Fv大於f的1/8，但是不超過 f的1/4，這樣便可在保證不發生混疊的情況下滿足解析度要求。以輸出頻率範 圍為0-2048Hz的流量計為例若按照傳統FFT功率譜分析信號處理方法選用 單一採樣頻率，則採樣頻率必須大於4096Hz，在採樣點數為1024時，解析度只 有4Hz，對於32Hz的低頻信號，誤差將達到12.5%，嚴重影響了低頻時的測量 精確度；若按照本發明自適應FFT功率譜分析信號處理方法將採樣頻率分段， 32Hz時選取128Hz的採樣頻率，則解析度可達到0.125Hz，誤差大幅減小，大 大提高低頻時測量精度。完成採樣頻率的自適應調整後，單片機⑤根據調整後 的採樣頻率f對信號進行FFT功率譜分析，從中提取出信號主頻率F。其中， FFT功率譜分析算法使用較多的是針對採樣點數N等於2的整數次冪的算法，
"基"數越大，運算的次數越少，但是當"基"數大於4後，運算次數的減少不再明 顯，本發明中採用基於頻率採樣(DIF)的基2算法。
上述信號處理過程中的信號示意圖如圖2所示， 一次傳感器輸出信號S1由 有效振動信號與噪聲信號合成。模擬信號處理後信號S2通常存在誤觸發與丟步 現象，若採用傳統的模擬信號處理方法，則這些現象在常規流量時將影響測量 重複性，在小流量時則影響更大，使得人們不得不提高流量計計量下限。但本 發明中，模擬信號處理後信號S2隻是用於預判頻率範圍，為後續數位訊號處理 選擇合適的採樣頻率提供依據，無需很高的精度。用於計算流量有效振動信號 頻率則是單片機通過內部的數位訊號處理程序得到，並以圖中所示有效振動脈 衝S3的方式給出。
最後，由於現有流體振動式流量計多採用電池供電，因此本發明信號處理 模塊也需具備低功耗的特點，以避免由於信號處理模塊的加入過多地增加流量 計功耗。模塊中前置放大電路①、濾波電路②、限幅電路③、整形電路④及單 片機⑤都選用低功耗的CMOS器件。此外，模塊2提供使能埠C1，使得流量 計二次儀表3能通過埠 Cl控制模塊2的工作時序，以降低模塊2的平均功耗。 如圖3所示，在不測量時，整個模塊2都處於低功耗的休眠模式，只有當需要 測量時，二次儀表2才通過埠 Cl喚醒模塊2進行自適應FFT功率譜信號處理。
權利要求
1、一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信號處理方法，其特徵在於信號處理模塊設置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪聲的一次傳感器輸出信號S1輸入信號處理模塊，經信號處理模塊對一次傳感器輸出信號S1進行自適應FFT功率譜分析處理後，輸出去噪後的有效振動脈衝信號S3，提供給流量計二次儀表用於流量計算，以提高流量計抗噪性能並降低測量下限。
2、 根據權利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信 號處理方法，其特徵在於所述信號處理模塊由用於模擬信號處理的硬體電路 與用於數位訊號處理的單片機組成， 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進入信號處 理模塊， 一路經過硬體電路，對信號進行放大、濾波、限幅及整形的模擬信號 處理，預判振動信號頻率範圍，單片機以此為依據實現採樣頻率的自適應調整， 以合適的採樣頻率對另外一路直接進入單片機的一次傳感器輸出信號Sl進行採 樣，進而通過FFT功率譜分析輸出最終用於計算流量的有效振動脈衝。
3、 根據權利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信 號處理方法，其特徵在於所述採用自適應的FFT功率譜分析方法，單片機根 據模擬處理結果判斷信號頻率所處範圍，進而與預設的分段頻率進行比較，選 取與之匹配的採樣頻率並對原始振動信號進行採樣，使FFT功率譜分析時信號 採樣頻率可根據信號頻率進行自行調整，而非單一固定的採樣頻率，可在不發 生頻率混疊的同時保證頻率解析度要求。
4、 根據權利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信 號處理方法，其特徵在於所述信號處理模塊還具備使能埠，在流量計測量 時，流量計二次儀表通過使能埠C1喚醒信號處理模塊進入工作狀態，測量結 束後，信號處理模塊自動進入低功耗休眠狀態，以此實現信號處理模塊在低功 耗流量計中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種流體振動式流量計自適應FFT功率譜分析信號處理方法。信號處理模塊設置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪聲的一次傳感器輸出信號S1輸入信號處理模塊，經信號處理模塊進行自適應FFT功率譜分析處理後，輸出去噪後的有效振動脈衝信號S3，提供給流量計二次儀表用於流量計算，以提高流量計抗噪性能並降低測量下限。避免了傳統模擬信號處理存在的丟步與誤觸發現象，克服了傳統單一採樣頻率FFT功率譜分析方法不能同時適用於高低頻計量的弊端，以自適應的方式尋找採樣頻率，提高了低頻時的頻率解析度，改善流量計測量精度並降低計量下限，適用於流體振動式流量計，尤其適用於電池供電的流體振動式流量計。
文檔編號G01F1/66GK101363746SQ20081016166
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者新 付, 朋 葉, 峰 王, 亮 胡, 阮曉東 申請人:浙江大學;天信儀表集團有限公司