摘要:針對旋進(jìn)旋渦流量計抗干擾能力差的問(wèn)題,分析流量計工業(yè)應用中存在的干擾信號,提出了一種基于頻譜分析的信號處理方法。信號采集電路并搭建實(shí)驗平臺，分別采集高流量區和低流量區的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)信號和旋渦信號,結合FFT與經(jīng)驗模態(tài)分解提取頻譜中幅值最大值對應的頻率即為旋渦信號頻率。在管道受瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的條件下,對實(shí)驗樣機進(jìn)行性能測試,低流量區的測量誤差和重復性分別為-0.5%和0.4%,高流量區的最大測量誤差和重復性分別為-0.9%和0.24%,均符合相關(guān)標準，實(shí)驗結果表明該方案可以有效減小外部干擾對旋進(jìn)旋渦流量計測量的影響。
0引言
旋進(jìn)旋渦流量計屬于流體振動(dòng)流量計,該流量計利用旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流速成正比的原理測量流量。它具備測量精度高、安裝維護方便和適應多種介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)”。由于該類(lèi)型流量計通過(guò)檢測流體振動(dòng)獲得流量值,因此,旋進(jìn)旋渦流量計存在一個(gè)固有缺陷，即抗千擾能力差。當被測流體存在脈動(dòng)干擾或管道受到瞬態(tài)沖擊振動(dòng)時(shí),測量系統的誤差增大,造成計量誤差,最終影響流量計的正常計數,這嚴重制約了旋進(jìn)旋渦流量計的進(jìn)一步發(fā)展。
針對上述問(wèn)題，流體脈動(dòng)對旋進(jìn)旋渦流量計的影響,得到振蕩流中旋進(jìn)旋渦流量計的響應特性是均勻流中旋進(jìn)旋渦流量計響應特性和振蕩流干擾特性的疊加這一結論,并利用消除流體脈動(dòng)干擾對流量計測量的影響。在同側沿軸向安裝2個(gè)傳感器,其中一個(gè)傳感器采集流量和振動(dòng)的混合信號,另一個(gè)僅采集振動(dòng)信號,兩者進(jìn)行差分處理,消除外界振動(dòng)對流量計的影響,但該方法無(wú)法消除流體脈動(dòng)干擾對旋進(jìn)旋渦流量計測量的影響通過(guò)改進(jìn)檢測元件結構增強旋進(jìn)旋渦流量計的抗干擾能力。使用的壓電傳感器中2片壓電晶體用于檢測旋渦振動(dòng)的頻率,另外2片用于檢測機械振動(dòng)信號。4片壓電晶體并聯(lián)進(jìn)行工作,通過(guò)對振動(dòng)信號進(jìn)行差分處理,保留旋渦振動(dòng)信號并轉換為流量值。
綜上所述,現有成果多為單一因素對旋進(jìn)旋渦流量計測量的影響,沒(méi)有對干擾因素綜合分析;采用改進(jìn)傳感器的方法研發(fā)成本高、周期長(cháng)，在中小企業(yè)中推廣難度大。因此,文章提出了基于頻譜分析的方法提取旋渦頻率,分析不同流量區間的旋渦信號與振動(dòng)響應信號,在外部存在干擾的條件下,可以實(shí)現流量的正確測量并通過(guò)實(shí)驗證明了方案的有效性。
1旋進(jìn)旋渦流量計工作原理
旋進(jìn)旋渦流量計的工作原理如圖1所示流體進(jìn)人旋進(jìn)旋渦流量計后,首先經(jīng)過(guò)一組由固定螺旋葉片組成的旋渦發(fā)生體，使流體強制旋轉,形成旋渦.流。旋渦流經(jīng)收縮段加速,再經(jīng)擴大段急劇減速，由于壓力上升，產(chǎn)生回流，在回流的作用下旋渦的渦核圍繞流量計軸線(xiàn)作旋進(jìn)運動(dòng)刀。旋渦的進(jìn)動(dòng)頻率與流量成正比。假設旋渦進(jìn)動(dòng)頻率為f,則瞬時(shí)體積流量Qv符合如下規律:Qv=f/Kv,其中,Kv為旋進(jìn)旋渦流量計儀表系數。因此,旋進(jìn)旋渦流量計測量的關(guān)鍵在于正確得到旋渦進(jìn)動(dòng)的頻率。
2信號處理方法研究
旋進(jìn)旋渦流量計的檢測元件采集信號經(jīng)電路處理的輸出信號中主要包含旋渦信號和干擾信號,分析并比較兩種信號的區別,找到差異性最大的特征，即可提取旋渦頻率，實(shí)現流量的有效測量。
旋進(jìn)旋渦流量計檢測元件采集的旋渦信號可以近似看作正弦信號,在外界無(wú)干擾情況下,流量計輸出的電壓信號為
式中:V0(t)為輸出信號轉換得到的電壓值,V;A0為正弦信號的幅值,V;ƒ0為旋渦進(jìn)動(dòng)頻率,Hz;φ0為信號的相位。
根據三角函數傅里葉變換結果可知[8],在上述信號的單邊頻譜中,當ƒ=ƒ0時(shí)對應幅值最大,因此,可以通過(guò)搜索最值的方法反向確定旋渦信號的頻率。
在旋進(jìn)旋渦流量計的實(shí)際應用環(huán)境中,常見(jiàn)的干擾信號主要為瞬態(tài)沖擊振動(dòng)和流體脈沖干擾。根據流體脈動(dòng)干擾信號在沿流量計軸向對稱(chēng)的方向.上非常接近,旋渦產(chǎn)生壓力信號在對稱(chēng)位置上反相,因此可以通過(guò)差分處理的方式基本消除流體脈沖對旋進(jìn)旋渦流量計的影響。針對瞬態(tài)沖擊振動(dòng)信號,在理想狀態(tài)下可以看作阻尼振動(dòng)信號,通過(guò)檢測元件采集的電壓信號可通過(guò)式(2)表達：
式中:A1為信號的幅值,V;η為阻尼系數;ɷn為固有角頻率;ɷd為振動(dòng)角頻率;φn為初始相位。
從式(2)可以看出,在振動(dòng)過(guò)程中頻率始終保持不變,幅值不斷減小至0,因此,在對應的頻譜圖中,當ƒ=ɷd/(2π)時(shí)對應的幅值最大。實(shí)際環(huán)境中,振動(dòng)信號的頻譜中可能存在高頻諧波。
綜合以上分析可以看出,由于旋渦信號始終穩定,對應的能量隨時(shí)間不斷累積,而振動(dòng)信號初始能量大,隨時(shí)間變化累積量不斷減少,在兩者初始幅值基本相同的情況下,旋渦信號的能量必大于振動(dòng)信號,因此,可以通過(guò)頻譜分析結果中的幅值最大值來(lái)確定旋渦信號的頻率,并轉化為瞬時(shí)流量完成測量。
3信號采集電路設計
為了驗證上述信號處理方案的可行性,需要采集旋進(jìn)旋渦流量計的輸出信號并進(jìn)行分析,結合以上提出的信號處理方法，本文設計的信號采集方案如圖2所示,沿流量計軸向對稱(chēng)分別安裝壓電傳感器F1和F2,經(jīng)電荷放大電路將電荷信號轉化為電壓信號,通過(guò)差分電路處理得到旋渦進(jìn)動(dòng)的電壓信號,采用截止頻率為1kHz的低通濾波電路去除其中的噪聲,最終輸出實(shí)驗所要采集的信號。
電荷放大電路具體原理圖如圖3所示，通過(guò)反饋電容C11、C12的積分作用將電荷量轉換成電壓量。電容C13、C14的作用為去除輸人的直流分量,由于運算放大器為單電源供電,在運算放大器的同向端輸人正向的參考電壓VREF,大小為電源電壓的1/2,抬高采集的電壓使其位于運算放大器的工作電壓范圍內。反向端接人電阻R5、R6的主要作用是防止反饋電容長(cháng)時(shí)間充電導致運算放大器飽和。二級管D1、D2、D3、D4的作用是防止傳感器過(guò)載產(chǎn)生較大的輸出,保護電路。V1、V2為輸出的電壓信號,經(jīng)過(guò)后續的運算放大器差分后進(jìn)人低通濾波電路。
4實(shí)驗研究與結果分析
4.1實(shí)驗平臺搭建
旋進(jìn)旋渦流量計實(shí)驗平臺示意圖如圖4所示,主要由標準裝置、管道、PCle-6320數據采集卡、流量計信號采集電路和DN50氣體旋進(jìn)旋渦流量計實(shí)驗樣機組成。
實(shí)驗所用的標準裝置精度為0.25級,實(shí)驗樣機的量程為8~120m3/h,精度為1.5級,則旋渦進(jìn)動(dòng)頻率大致范圍為45~750Hz。信號采集由計算機上的Lab-VIEW軟件控制數據采集卡完成,根據奈奎斯特采樣定理,設置信號采樣頻率為4kHz,保證采樣的信號不失真。另外,為了減小數據處理過(guò)程中的誤差,提高頻率分辨率,設置采樣時(shí)間為5s,使用20000個(gè)數據點(diǎn)進(jìn)行分析計算。
4.2信號處理結果分析.
由于旋進(jìn)旋渦流量計在不同流量下對瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的響應不同,同時(shí),在旋進(jìn)旋渦流量計行業(yè)標準中通過(guò)引人分界流量qt對不同范圍內的精度與重復性做了相關(guān)規定,因此,本文分別對高流量區和低流量區的振動(dòng)信號響應進(jìn)行分析,分界流量為量程最大值的1/5,因此,取分界流量qt為24m3/h。
4.2.1高流量區信號處理
高流量區以流量點(diǎn)41.7m3/h的瞬時(shí)流量信號為例。在流量穩定的情況下完成采集并去除信號中的直流分量并進(jìn)行處理,由于對信號已進(jìn)行低通濾波處理,頻譜分析得到的結果中1kHz以上的信號對應幅值基本為0,在圖中不做展示,得到的無(wú)振動(dòng)情況下的旋渦信號的時(shí)域與頻域結果圖如圖5所示。從結果圖中均可以看出,旋渦信號近似于正弦信號,與理論分.析相符,信號頻率即為頻譜圖中尖峰對應的頻率,通過(guò)FFT計算得到結果為258.1Hz。
對實(shí)驗平臺的管道施加3~4Hz的敲擊振動(dòng),得到的時(shí)域與頻域結果如圖6所示。從結果可以看出,振動(dòng)信號的初始峰值與旋渦信號的幅值基本一致,同時(shí)兩者的頻譜圖基本相同,計算得到的信號頻率值為257.1Hz,與穩定狀態(tài)下的測量結果基本--致。因此，在高流量區由于旋渦信號本身的能量較大,疊加的振動(dòng)信號不會(huì )影響旋渦頻率的測量結果,可以直接通過(guò)FFT分析獲得旋渦頻率。
4.2.2低流量區信號處理
低流量區以流量點(diǎn)9.0m3/h的瞬時(shí)流量信號為例,采集得到的無(wú)振動(dòng)情況下的旋渦信號的時(shí)域與頻譜圖如圖7所示,200Hz以上的信號分量基本為0,未在結果圖中展示。從結果可以看出,雖然存在一部分高頻噪聲，旋渦信號的幅值有跳動(dòng)的情況，但仍然不會(huì )影響流量計的測量結果,同高流量區采用相同的方法計算信號頻率為54.0Hz。
同樣對實(shí)驗平臺的管道施加3~4Hz的敲擊振動(dòng),得到的時(shí)域與頻域結果如圖8所示，為了便于后續的分析與比較,時(shí)域圖顯示其中1s內的波形。從結果可看出,由于振動(dòng)信號的初始峰值與旋渦信號的幅值不在同一量級,FFT分析得到振動(dòng)信號對應的尖峰高于旋渦信號,因此,無(wú)法直接得到旋渦信號的頻率對于這種非平穩信號,可以通過(guò)經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)提取振動(dòng)信號對應的本征模態(tài)函數(IMF),差分處理后再進(jìn)行FFT變換獲得旋渦信號頻率。
定義為IMF的條件有以下2個(gè):
(1)整個(gè)信號中,極值點(diǎn)數量必須與過(guò)零點(diǎn)數量相等或差值為1;
(2)在任意時(shí)刻,信號極大值與極小值包絡(luò )的均值為零。
原始信號x(t)分解過(guò)程為:首先提取信號的極大值與極小值,通過(guò)三次樣條插值得到包絡(luò )信號計算其平均值mi(t),判斷差值hi(t)=x(t)-mi(t)是否為IMF分量,如果不是,則將差值作為下一次分解目標并重復以上步驟,直到得到本征模態(tài)函數IMFk(t)。每次提取IMF后，從原始信號中減去對應的本征模態(tài)函.數,再進(jìn)行下一次分解,直到最后的信號中不存在IMF,最終,原始信號可以表示為
式中:n為IMF的個(gè)數;e(t)為信號的殘差。
上述信號進(jìn)行分解后得到的一階本征模態(tài)函數時(shí)域與頻域結果如圖9所示。從結果可以看出,EMD處理后得到的本征模態(tài)函數基本保留了原有振動(dòng)信號的所有特征,幅值較大處對應的頻率基本--致。
將兩種信號差分處理,對應的信號時(shí)域與頻域結果如圖10所示。從結果可以看出,振動(dòng)信號的能量得到有效去除,頻譜圖基本不存在高頻振動(dòng)信號,計算頻譜圖中尖峰峰值對應的頻率為54.0Hz,與穩定條件下的旋渦信號頻率-致,證明本方案在實(shí)際應用中具有可行性。
4.3流量計性能測試
按照JJG1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計》的檢定要求,對流量計進(jìn)行標定,得到瞬時(shí)流量Q(m3/h)與頻率ƒ(Hz)之間的函數關(guān)系式如下:
對實(shí)驗平臺管道施加3~4Hz的振動(dòng)信號,在旋進(jìn)旋渦流量計的量程內,任取10個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)重復進(jìn)行3次實(shí)驗，實(shí)驗結果如表1所示。
測量誤差與重復性曲線(xiàn)如圖11所示,低流量區的最大測量誤差和重復性分別為-0.5%和0.4%,高流量區的最大測量誤差分別為-0.9%和0.24%,根據旋進(jìn)旋渦流量計檢定規程要求,低流量區8~24m'/h最大允許誤差范圍為3.0%,重復性小于1.0%;高流量區24~120m3/h最大允許誤差范圍為1.5%,重復性小于0.5%。綜合以上分析,所有指標均在規定的范圍內,符合旋進(jìn)旋渦流量計的性能要求。
5結束語(yǔ)
針對旋進(jìn)旋渦流量計抗千擾能力差的問(wèn)題,在消除流體脈動(dòng)干擾的條件下,提出了一種基于頻譜分析的方法提取旋渦頻率,分別對高流量區和低流量區的振動(dòng)響應進(jìn)行分析,結合經(jīng)驗模態(tài)分解與FFT方法提取頻譜中幅值最大值對應的頻率，規避了外部瞬態(tài)沖擊振動(dòng)對旋進(jìn)旋渦流量計的影響,實(shí)現流量的準確測量。實(shí)驗結果表明:該方案得到的測量結果符合旋進(jìn)旋渦流量計行業(yè)相關(guān)標準，具有較高的實(shí)用性。
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