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

關鍵詞   渦街流量計   信號處理   研究現狀

0  引言

   渦街流量計是20世紀60年代末期發展起來的一種基于液體振動原理的流量計。20世紀70年代初，商品化的渦街流量計在穩定流體計量中的可靠性和精確性，不僅如此，它的優點還包括儀表內無機械可動部件，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，介質適應性寬，測量精度較高；壓力損失小，量程比寬；可直接輸出數字信號等。

渦街流量計本質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，產生的隨機脈動壓力等，現場的干擾對流量測量產生很大的影響。目前，將渦街流量計用于流量測量，需要研究的關鍵性問題：一是抑制流場噪聲的影響，流場的穩定性、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；二是準確測量小流量，因為小流量所產生的橫向升力較小，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，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。

國內外的專家學者為解決渦街流量計應用中的關鍵性問題，作了大量的工作，取得了顯著的成績，推進了渦街流量計的研究。

1 國內外研究現狀

    為了改善流量計的抗干擾性能，降低它的量程下限，國內外研究學者做了大量的工作，歸納起來主要在三個方面：①研究旋渦發生體的現狀對流量計性能的影響。Pankain從優化非流線體幾何結構和傳感器安裝位置的角度，研究了提高信號質量、頻率穩定性和流量計線性度的方法^[1]；②研究渦街流量計工作環境流體狀態的影響。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將數字信號處理方法應用于流量計，處理傳感器的輸出信號，提取渦街信號頻率。數字信號處理方法應用于渦街流量計，可以解決流量測量中存在的一些難題，是目前新技術流量計發展的主要方向。本文重點論述數字信號處理方法在渦街流量計中的應用。

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，提出了強干擾條件下信號處理方案^[4]。這種強噪聲具有以下特點：①幅值與渦街信號的幅度相當或高于渦街信號；②頻率在渦街信號頻率范圍內；③當管道等一定時，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上，提出用頻域轉換和互相關功率譜相結合的方法來消除流量測量中的強噪聲，即利用互相關方法，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通過增強非流線體的剛度和自適應低通濾波方法來提高流量計的性噪比^[5]，并采用自適應低頻信號介質辨識器，根據信號頻率來調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研究了工作環境的噪聲對旋渦脫離頻率的影響[6]，分別給出了在現場離心泵、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。同時使用系統辨識技術，根據渦街流量計輸出信號變化來檢測工作現場的情況。

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]，通過改進傳感器的設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，去除脈沖振動產生的尖峰噪聲。

1997年，Menz首次將傳感器融合應用于流量計測量^[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。將兩種測量原理結合在一起，將兩種測量方法的測量結果進行融合，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。

不僅國外大量學者致力于流量計關鍵問題的研究，而且世界上很多生產渦街流量計的公司，諸如Yokagawa,Foxboro,Rosemount等也在進行著流量計新技術的研究。

Yokagawa是世界最早生產渦街流量計的公司^[9]，1968年生產出世界上第1臺渦街流量計。在渦街流量計技術研究中Yokagawa公司一直處于領先地位，它研制地數字渦街流量計（YEWELO），以微處理器為核心，采用頻譜信號處理（spectral signal processing）技術，利用信號頻譜分析的結果，結合最佳噪聲比搜索算法，調整帶通濾波器（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 。系統原理框圖和頻譜分析結構框圖分別如圖2和圖3所示。

                    圖2 系統原理框圖

              HPF-高通濾波器；LPF-低通濾波器

                   圖3  頻譜分析結構框圖

Rosement公司研制了以數字跟蹤濾波器（digitaltracking filter）為核心的渦街流量計數字信號處理系統^[10]，數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，處理器根據渦街信號的特點，選擇合適的濾波器處理輸入信號。采用數字濾波器提高了流量測量和控制的可靠性和準確性。

Foxboro公司采用自適應濾波（adaptive filter）技術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行處理，該帶通濾波器的截止頻率根據渦街信號的測量頻率動態調整，當測量頻率變化很小時，濾波器的轉折頻率設置為跟蹤信號頻率變化；當測量頻率變化比較大時，設置為搜索頻率模式，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 國內研究狀況

國內的專家學者也在不斷作出努力，采用先進的數字信號處理技術，解決應用上的關鍵問題。

重慶大學蒙建波等采用基于最小均方自適應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]。由漩渦發生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機構成測量系統，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鍵技術問題，沒有應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。

重慶工業自動化儀表研究所的專家和北京公用事業研究所的專家分別針對工業現場的電磁干擾、管道振動干擾和流場干擾，研究了渦街流量計在屏蔽、結構設計和安裝上的對策。同時認為，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機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展量程下限的途徑。

哈爾濱工業大學龔振起等將自適應處理方法應用于渦街流量計，采用線性預測譜估計法進行頻譜分析，獲得希望的信號頻率^[14]。

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

①基于FFT的經典譜分析方法^[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，以正反向線性預測誤差能量的平方和最小為準則，來估計自回歸模型的系數。特別易于短序列的譜分析。

③自適應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到較好精度，但存在不能準確測量幅值的問題。

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行濾波，去除噪聲，以便準確提取頻率信息。采用緊支集二次樣條小波函數，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方法。利用該方法解決強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，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自適應濾波方法^[20]。利用該方法準確測出傳感器輸出信號的頻率及在該頻率下的幅值，通過換算測得質量流量。自適應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多，計算時間長，實時性差。

研制成功以數字信號處理器(DSP)為處理核心的渦街流量計信號處理系統，系統的硬件框圖如圖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行數字處理，計算出信號頻率，測量出流量。該系統在安徽省流量儀表計量鑒定站的水流量標定裝置上進行性能測試，線性度達到0.11596％，重復性為0.0264575％。

                 圖4  系統硬件框圖

                圖5  系統軟件框圖

1.3 研究重點

    總結以上工作，作者認為在數字信號處理方法應用上還存在一些問題，研究的重點主要有以下方面：

①已經研究了干擾信號與渦街信號在一頻段的情況，當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的選取、分級，小波濾波器的幅頻特性和中心頻率的調整，采樣頻率和采樣點數如何確定，以及在軟件編程中，如何優化算法，使計算量少、內存占用量少和運算誤差小，以保證體積小、實時性好和計算精度；

③研究強干擾噪聲是以建立某種噪聲的模板為基礎，如何建立一種通用的模板，真正解決強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擴大量程比，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  結束語

   國內外的研究工作已部分解決了工程應用中出現的一些問題，推進了渦街流量計的應用，同時為進一步研究創造了條件。隨著現場總線技術，智能儀表技術及數字信號處理技術的發展，渦街流量計的研究內容更加豐富。綜合國內外研究狀況，作者認為，渦街流量計研究的發展方向集中在以下方面：

①先進的傳感器結構的設計，消除任何方向的振動干擾，穩定旋渦；

②采用全數字化現場總線的智能渦街流量計；

③應用先進的數字信號處理方法，更好的解決干擾問題，提高流量測量精度；

④實現真正質量流量測量。

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點，在計量檢測中發揮越來越大的作用，應用前景非常廣闊，因此渦街流量計的研究將具有重要的意義。