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抗强振动干扰数字涡街流量计信号处理方法研究与低功耗实现

罗清林  
【摘要】: 由于涡街流量计具有无机械可动部件,可以适用于液体、气体和蒸汽的测量,压力损失小,测量精度较高和量程比较宽等优点,因此被广泛用于发电厂等企业的流量测量。但是,在实际应用中还存在着两个问题:在采用数字信号处理方法的同时如何实现低功耗及两线制工作,以及如何在强噪声的干扰下获得准确的涡街流量频率。数字信号处理方法具有抗干扰能力强、精度高、量程比宽等优点,一般采用DSP芯片来实现。但是,DSP芯片的功耗比较大,一般工作电流都在100mA以上,不能满足低功耗与两线制的要求,而低功耗、两线制的仪表是许多过程工业现场所需要的。同时,由于工作原理的关系,涡街流量计在工作时常常受到外界振动干扰的影响。在振动比较强的时候,涡街流量计会把振动噪声的频率当作涡街流量频率输出,严重影响测量精度。因此,研究如何在强噪声的干扰下准确地测得涡街流量频率是很有现实意义的。 为了研究出能消除强干扰影响的数字信号处理方法,分析了涡街流量信号幅值的变化规律,研究了涡街流量信号与机械振动噪声的不同带宽特征,建立了涡街流量传感器输出信号模型。 研制了基于MSP430的低功耗、两线制涡街流量计数字信号处理系统。在研制过程中,对实数FFT算法、测量结果的稳定性与系统响应速度、仪表系数校正、温度和压力补偿、4~20mA电流输出,以及脉冲输出等关键技术做了相应的改进。在浙江迪元仪表有限公司进行了气流量和水流量的标定实验。实验结果表明,系统具有较强的现场抗干扰能力,较高的测量精度和较宽的量程比,同时,又实现了低功耗与两线制工作。 基于单传感器,提出了计算功率极值算法以及数字滤波结合自相关算法两种抗强干扰数字信号处理方法。计算功率极值算法将传统的自适应FIR维纳滤波器进行改进,通过计算功率极值来确定涡街流量频率。数字滤波结合自相关算法采取先数字滤波再计算自相关,然后根据自相关函数的衰减程度的方法来计算涡街流量频率。在此基础上,研制了基于单传感器的抗强干扰数字涡街流量计系统。仿真和实验结果表明,在噪声能量大于涡街流量信号能量的情况下,基于单传感器的抗强干扰数字涡街流量计系统能获得准确的涡街流量频率。 基于双传感器,通过仿真验证了自适应噪声抵消算法的有效性,同时,提出了另一种抗强干扰数字信号处理方法:频域相减结合计算频率方差法。该方法根据实际情况来选择算法:当流量传感器输出信号频谱中的峰值个数与振动传感器的个数不相等时,采用频域相减算法;当流量传感器输出信号频谱中的峰值个数与振动传感器的个数相等时,采用计算频率方差算法。研制了基于双传感器的抗强干扰数字涡街流量计系统。仿真和实验结果表明,在噪声能量大于涡街流量信号能量的情况下,基于双传感器的抗强干扰数字涡街流量计系统能获得准确的涡街流量频率。


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