專(zhuān)利名稱(chēng)：基于自適應(yīng)fft功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量流體流量的裝置，尤其是涉及一種基于自適應(yīng)FFT功率 譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)。
背景技術(shù)：
流體流經(jīng)非流線(xiàn)型鈍體時(shí)，在鈍體的下游會(huì)形成卡門(mén)渦街，伴隨旋渦的交替脫落， 在鈍體的下游會(huì)引發(fā)流體的振動(dòng)，在一定范圍內(nèi)，流體振動(dòng)的頻率與流體的流速成正比。利 用這一原理研制的渦街流量計(jì)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有渦街流量計(jì)的主要特征是在流道內(nèi)安裝一個(gè)橫截面為非流線(xiàn)型的鈍體，在鈍 體內(nèi)或者其下游安裝檢測(cè)元件，利用二次儀表對(duì)傳感器檢測(cè)到旋渦脫落或流體的振動(dòng)信號(hào) 進(jìn)行處理，并按儀表系數(shù)折算成流體的流量?，F(xiàn)有的渦街流量計(jì)存在兩大問(wèn)題1、可測(cè)量 的流量下限較高。旋渦脫落的頻率與斯特羅哈數(shù)(Strouhal Number)有關(guān)，關(guān)系如下f = (v/d) St (f為穩(wěn)定的旋渦脫落的頻率，St為斯特羅哈數(shù)，v為被測(cè)流體的流速，d為鈍體的 柱寬)，研究表明斯特羅哈數(shù)在一定流量范圍內(nèi)是雷諾數(shù)的函數(shù)，此時(shí)被測(cè)流體的流速與旋 渦脫落的頻率滿(mǎn)足正比關(guān)系，但雷諾數(shù)較小時(shí)，流體振動(dòng)非常微弱，信噪比不能滿(mǎn)足檢測(cè)要 求，因此現(xiàn)有渦街流量計(jì)的計(jì)量下限一般取在雷諾數(shù)Re = 2000左右，極大地限制了流量計(jì) 的計(jì)量范圍。2、抗干擾性能差，尤其在流量小振動(dòng)頻率低時(shí)，噪聲導(dǎo)致一次傳感器輸出信號(hào) 信噪比欠佳，難以檢測(cè)有效振動(dòng)信號(hào)，影響計(jì)量性能。渦街流量計(jì)是利用流體自身振動(dòng)實(shí)現(xiàn) 流體的測(cè)量，而待測(cè)系統(tǒng)中存在的壓力脈動(dòng)或外界的振動(dòng)源和噪聲源也會(huì)引起待測(cè)系統(tǒng)中 流體的振動(dòng)，這些外來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，或改變旋渦振動(dòng)頻率，或直接進(jìn)入二次儀表，造成計(jì)量 誤差。然而傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理一般由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，即流量傳感器測(cè)得的信號(hào)經(jīng)過(guò)電 路的放大、濾波、限幅、整形后，將脈沖信號(hào)送入微處理器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得被測(cè)介質(zhì)的瞬 時(shí)和累計(jì)流量。用硬件電路計(jì)算頻率，實(shí)時(shí)性好，但是對(duì)外界振動(dòng)干擾敏感，機(jī)械振動(dòng)和流 場(chǎng)干擾使信號(hào)幅值變化很大，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)或丟步現(xiàn)象，造成測(cè)量誤差，而在流量小的低 頻段，這一問(wèn)題尤為突出。因此，人們一般通過(guò)規(guī)定下限截止頻率，限制量程比來(lái)解決此問(wèn) 題，但這樣就提高了流量計(jì)計(jì)量的下限，導(dǎo)致量程比較小。近些年來(lái)，人們開(kāi)始嘗試用數(shù)字 信號(hào)處理代替硬件電路來(lái)解決上述問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有靈活、精確、抗干擾性強(qiáng)、 速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)所無(wú)法比擬的。目前，用于流體振動(dòng)式流量 計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理方法主要有互相關(guān)法、譜分析法、小波變換法等。其中應(yīng)用的較多的是譜 分析的方法，它能夠從含有噪聲的信號(hào)中提取有效振動(dòng)信號(hào)的主頻率。然而，現(xiàn)有FFT功率 譜分析方法中都采用單一的采樣頻率，由于信號(hào)頻率未知，采樣頻率一般根據(jù)香農(nóng)定理，設(shè) 定為2倍最大流量對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率值。同時(shí)，為滿(mǎn)足流量計(jì)電池供電的要求，又需采用低功 耗單片機(jī)進(jìn)行FFT功率譜分析，而非功耗較大的DSP，單片機(jī)有限的存儲(chǔ)空間限制了采樣點(diǎn) 數(shù)。因此，現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理方法雖有效解決了抗噪問(wèn)題，改善了流量計(jì)重復(fù)性，但受單片 機(jī)有限的存儲(chǔ)空間限制，低流速時(shí)較大的采樣頻率、較低的采樣點(diǎn)數(shù)將使頻率分辨率無(wú)法 達(dá)到要求，從而引起測(cè)量誤差，導(dǎo)致流量計(jì)小流量測(cè)量性能仍不令人滿(mǎn)意。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供測(cè)量流量下限較低的，抗干擾性能高的一種基于自適應(yīng) FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型它包括管道、前鈍體、后鈍體、兩個(gè)傳感器和流量計(jì)二次儀表，在管道 內(nèi)裝有截面為非流線(xiàn)型的前鈍體和后鈍體，在后鈍體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置處分別裝有第一傳感器 和第二傳感器。兩個(gè)傳感器通過(guò)線(xiàn)路分別將信號(hào)送入自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊 進(jìn)行處理，再將去除噪聲后的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)接到流量計(jì)二次儀表。所述的前鈍體和后鈍體端面之間相距為0. 6DN 1. 5DN，其中DN為管道的直徑，兩 個(gè)鈍體其橫截面形狀為 >形、D形、b形或OO形。所述的兩個(gè)傳感器為壓電式傳感器或電容式傳感器。所述的由兩個(gè)傳感器組成的一次傳感器輸出信號(hào)Sl分為兩路，一路信號(hào)依次經(jīng) 自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊中的前置放大電路、濾波電路、限幅電路、整形電路完 成模擬信號(hào)處理，另一路一次傳感器輸出信號(hào)Sl直接與自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模 塊中的單片機(jī)連接，輸出的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)S3與用于流量計(jì)算的二次儀表連接。本實(shí)用新型具有的有益效果是1、利用優(yōu)化的雙鈍體組合結(jié)構(gòu)引發(fā)旋渦的重疊現(xiàn)象，能夠獲得更加穩(wěn)定、振動(dòng)更 強(qiáng)的流體振動(dòng)信號(hào)，在雷諾數(shù)相同的情況下，與振動(dòng)頻率成線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系的流速測(cè)量下限 下降了 2 4倍，按此原理設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)的測(cè)量 范圍可比現(xiàn)有渦街流量計(jì)明顯的擴(kuò)大。2、傳感器測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊處理后，得到有 效振動(dòng)脈沖信號(hào)，避免了硬件電路模擬信號(hào)處理存在的丟步與誤觸發(fā)現(xiàn)象，并克服了傳統(tǒng) 單一采樣頻率FFT功率譜分析方法不能同時(shí)適用于高低頻計(jì)量的弊端，以自適應(yīng)的方式尋 找合理的采樣頻率，提高了低頻時(shí)的頻率分辨率，可有效改善流量計(jì)測(cè)量精度并降低計(jì)量 下限。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是圖1中自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程圖。圖3是本實(shí)用新型的各種鈍體橫截面圖。圖中1.管道，2.前鈍體，3.后鈍體，4.傳感器，5.傳感器，6.輸出線(xiàn)路，7.自適 應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊，8.流量計(jì)二次儀表，7.1.前置放大電路，7. 2.濾波電路， 7.3.限幅電路，7. 4.整形電路，7. 5.單片機(jī)，Si. 一次傳感器輸出信號(hào)，S2.模擬信號(hào)處理 后信號(hào)，S3.有效振動(dòng)脈沖信號(hào)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。[0019]如圖1所示，本實(shí)用新型包括管道1、前鈍體2、后鈍體3、兩個(gè)傳感器4，5和流量計(jì) 二次儀表8，在管道1內(nèi)裝有截面為非流線(xiàn)型的前鈍體2和后鈍體3，在后鈍體3兩側(cè)對(duì)稱(chēng) 位置處分別裝有第一傳感器4和第二傳感器5。兩個(gè)傳感器通過(guò)線(xiàn)路6分別將信號(hào)送入自 適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊7進(jìn)行處理，再將去除噪聲后的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)接到 流量計(jì)二次儀表8。如圖2所示，信號(hào)處理模塊7介于流量計(jì)一次傳感器1與流量計(jì)二次儀表8之間， 以帶有噪聲的一次傳感器輸出信號(hào)Sl為輸入，輸出去噪后的有效振動(dòng)脈沖S3，提供給流量 計(jì)二次儀表3用于流量計(jì)算。信號(hào)處理模塊2內(nèi)部采用模擬信號(hào)處理與數(shù)字信號(hào)處理相結(jié) 合的方式。一次傳感器輸出信號(hào)Sl分兩路進(jìn)入信號(hào)處理模塊2，其中一路經(jīng)過(guò)由前置放大 電路7. 1、濾波電路7. 2、限幅電路7. 3及整形電路7. 4組成的硬件電路進(jìn)行模擬處理，最后 模擬信號(hào)處理后信號(hào)S2進(jìn)入單片機(jī)7. 5。單片機(jī)7. 5內(nèi)部存有數(shù)字信號(hào)處理程序，并已將 信號(hào)頻率劃分為幾個(gè)頻段，給出了每個(gè)頻段信號(hào)合適的采樣頻率值。單片機(jī)7. 5根據(jù)模擬 信號(hào)處理后信號(hào)S2預(yù)判信號(hào)頻率范圍，并根據(jù)所處頻段選定合適的采樣頻率值。同時(shí)，另 一路一次傳感器輸出信號(hào)Sl被直接引到單片機(jī)7. 5的A/D輸入端口，單片機(jī)7. 5以選定 的采樣頻率對(duì)一次傳感器輸出信號(hào)Sl進(jìn)行采樣，并以FFT功率譜分析方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處 理，獲得準(zhǔn)確的有效振動(dòng)信號(hào)頻率。最終，單片機(jī)7. 5輸出有效振動(dòng)脈沖S3給流量計(jì)二次 儀表8，用于計(jì)算流量。如圖1、圖3所示，所述的前鈍體2和后鈍體3端面之間相距為0.6DN 1.5DN，其 中DN為管道1的直徑，兩個(gè)非流線(xiàn)型鈍體的橫截面形狀為[>形、D形、h形或CO形。前 鈍體2和后鈍體3端面之間的最佳距離是通過(guò)改變前鈍體2和后鈍體3端面間距實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 所得結(jié)果。所述的兩個(gè)傳感器均為壓電薄膜傳感器。本實(shí)用新型的工作原理如下在管道內(nèi)裝有橫截面為非流線(xiàn)型的兩個(gè)鈍體，在后鈍體的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置處裝有兩 個(gè)傳感器，兩傳感器分別通過(guò)線(xiàn)路與二次儀表連接。由流體在前鈍體下游產(chǎn)生的周期性交 錯(cuò)脫落的卡門(mén)渦街，在后鈍體作用下被二次激發(fā)得到更加穩(wěn)定、振動(dòng)更強(qiáng)的二次卡門(mén)渦街， 以降低流量計(jì)的計(jì)量下限。兩傳感器測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理 模塊處理后，提供給二次儀表去除噪聲后的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)，避免了傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理 存在的丟步與誤觸發(fā)現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的方式尋找采樣頻率，提高了低頻時(shí)的頻率分辨 率，改善流量計(jì)測(cè)量精度并降低計(jì)量下限。
權(quán)利要求一種基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)，包括管道(1)、前鈍體(2)、后鈍體(3)、兩個(gè)傳感器(4，5)和流量計(jì)二次儀表(8)，在管道(1)內(nèi)裝有截面為非流線(xiàn)型的前鈍體(2)和后鈍體(3)，在后鈍體(3)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置處分別裝有第一傳感器(4)和第二傳感器(5)，其特征在于兩個(gè)傳感器通過(guò)線(xiàn)路(6)分別將信號(hào)送入自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊(7)進(jìn)行處理，再將去除噪聲后的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)接到流量計(jì)二次儀表(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)，其特 征在于前鈍體(2)和后鈍體(3)端面之間相距為0.6DN 1.5DN，其中DN為管道(1)的 直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)，其特 征在于所述的兩個(gè)傳感器(4，5)為壓電式傳感器或電容式傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)，其特 征在于所述的由兩個(gè)傳感器(4，5)組成的一次傳感器輸出信號(hào)Sl分為兩路，一路信號(hào)依 次經(jīng)自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊(7)中的前置放大電路(7. 1)、濾波電路(7.2)、 限幅電路(7. 3)、整形電路(7. 4)完成模擬信號(hào)處理，另一路一次傳感器輸出信號(hào)S 1直接 與自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊(7)中的單片機(jī)(7.5)連接，輸出的有效振動(dòng)脈沖 信號(hào)S3與用于流量計(jì)算的二次儀表(8)連接。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于自適應(yīng)FFT功率譜分析的雙鈍體渦街流量計(jì)。在管道內(nèi)裝有截面為非流線(xiàn)型的兩個(gè)鈍體，在后鈍體的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置處裝有兩個(gè)傳感器，兩傳感器分別通過(guò)線(xiàn)路與二次儀表連接。由流體在前鈍體下游產(chǎn)生的周期性交錯(cuò)脫落的卡門(mén)渦街，在流經(jīng)后鈍體后被二次激發(fā)得到更加穩(wěn)定、振動(dòng)更強(qiáng)的二次卡門(mén)渦街，以降低流量計(jì)的計(jì)量下限。兩傳感器測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)FFT功率譜分析信號(hào)處理模塊處理后，提供給二次儀表去除噪聲后的有效振動(dòng)脈沖信號(hào)，避免了傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理存在的丟步與誤觸發(fā)現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的方式尋找采樣頻率，提高了低頻時(shí)的頻率分辨率，改善流量計(jì)測(cè)量精度并降低計(jì)量下限。
文檔編號(hào)G01F1/32GK201688869SQ20102010590
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者傅新, 葉朋, 申慧敏, 胡亮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)