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新闻资讯

自适应FFT信号分析方法在旋进流量计中的应用

2019-10-08    

  针对旋进旋涡流量计易受流体压力波动以及机械振动干扰的问题,采用了一种由单片机实现的低功耗自适应FFT 信号分析方法,该方法通过电路粗判流量传感器的信号频率,在中小流量段,选取与之匹配的采样频率对信号进行采样,然后通过功率谱分析获得主频率从而达到抗 干扰的性能,提高流量测量精度;而在中大流量段,直接由硬件控制输出。经试验证明:该方法降低了旋进流量计测量下限,拓宽了流量计范围,大大提高抗干扰性 能,且适合于微功耗流量计使用。
旋进流量计是基于流体经过旋涡发生体时产生流体振动,而振动频率与流体的流速成正比。他们已有近 30 年的历史,主要包括精度高、线性度好,使用寿命长、线性范围宽,几乎不受湿度、压力密度变化影响等优点,得到广大用户的青睐,在气体、液体、蒸汽等领域具 有广阔的应用前景。但其采用的测量原理决定了振动信号易受外界噪声的干扰,当流体不稳定时,流体压力的波动以及来自系统和环境的振动和噪声等将使流量计的 信噪比明显降低,特别是在低流速等信噪比小的情况下,甚至使其丧失其正常计量功能[1]。因此,如何对输出信号进行处理,从叠加了噪声的信号中提取有用的频率信号,成为了提高旋进流量计性能的重点。
2 旋进流量计存在的主要缺点
流量下限偏高,在低流速下极易受到各种干扰,从而无法保证其计量精度,是旋进流量计的缺点。目前,流量传感器采用的一般为压电晶体,其输出的信号为毫伏 级,且其信号一般由两部分组成:(1)由流速产生的正弦流体振动信号;(2)各种干扰引入的噪声信号.因此传感器输出的信号远非理想的正弦波,而是一个混 有噪声的混合信号。当流量比较大时,流体振动信号较强,在同样强度的噪声干扰下,其信噪比高,干扰噪声的影响不显著,如图1所示,流量信号还是比较理想的 正弦波,此时一般通过硬件电路整形滤波即可得到正常的流体振动频率信号。而当流量比较小时,流体振动信号较弱,信噪比小,干扰噪声的影响显著,流量信号的 波形发生畸变,如图 2 所示,此时采用一般的硬件电路无法得到正常的流体振动频率信号。因此,低流速测量成为了限制旋进流量计应用的瓶颈。厂家一般通过规定下限截止频率、限制下 限流量来解决此问题,但这样就牺牲了流量计的优点。其次,信号整形过程多采用阈值比较法,这也易引起漏计和多计现象现象,从而导致测量误差。目前,基于对 称安装的双压电传感器构成的差动式结构使旋进流量计的抗干扰性能虽得到了很大提高[1],但还有提高的空间。
3旋进流量计信号处理方法
一般信号处理方法可分为模拟信号处理和数字处理两种。
3.1 模拟信号处理方法
模拟信号处理一般由硬件电路来实现。现在使用的旋进流量计,大多数产品虽采用了微处理器,但仅用于流量计算处理,而表征流速的频率仍用硬件电路实现,典型的电路和框图如图 3 所示,压电传感器输出信号经放大器N1、N2放大后再经 N3差动放大,可滤除部分共模成分,再经过 N4和斯密特电路 D1的放大、滤波、整形,得到与流速成正比的脉冲频率信号,送入微处理器进行计数并运算处理,从而获得被测流体的流量。用硬件电路实现频率检测实时性较好,反应快。
3.2 数字信号处理
数字信号处理技术具有灵活、*、抗干扰性强、速度快等优点,这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。国内外对于旋进流量计和涡街流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[2]、谱分析法、小波变换法[3]等。 其中应用的较多的是谱分析的方法,谱分析法能够从含有噪声的信号中提取有用信号的主频率。但以往的 FFT 谱分析方法都只是采用单一的采样频率,缺少对高低频率同时适应的能力,降低下限作用不显著;另外,一般为采用 DSP 技术,无法实现微功耗,无法在电池供电系统使用。
4 低功耗自适应 FFT 方法
4.1 自适应 FFT 简介
在 FFT 谱分析中,系统的分辨率由采样频率 fs与采样点数 N 来决定,即:
为满足旋进流量计电池供电的要求,必须采用微功耗单片机进行FFT 功率谱分析。但在单片机实现的 FFT 谱分析中,为保证系统的实时性和低功耗要求,采样点数不能太高。为了提高系统的分辨率,就必须减小采样频率,但采样频率的降低又受香农采样定律的制约,即 采样频率必须大于等于信号频率的 2 倍,以防发生频率混叠现象。采样频率必须根据信号*大频率选取,这时在低频段由于频率分辨率的不足就会造成测量误差。因此,用普通的 FFT谱分析方法难于满足旋进流量计在低流速时的需要。为此,我们提出了自适应的 FFT 功率谱分析方法,它是将 FFT 的采样频率进行分段而不是采用单一采样频率,以适应高低频段的要求。