[发明专利]基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种涡街流量计数字信号处理系统，特别是一种以单片机(MCU)为核心、基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统。

背景技术

涡街流量计可以测量液体、气体和蒸汽流量，应用范围相当广泛。但是，在工业现场，由于管道与水泵、阀门和电动机等设备相连，使得流量计工作时常常受到机械振动干扰，影响流量的测量。这些机械振动噪声的特点是：(1)能量比较大，有时甚至大于涡街流量信号的能量；(2)频率在涡街流量信号频率范围内。目前，数字涡街流量计采用频谱分析等数字信号处理方法来提取涡街流量信息，当流量信号的能量大于噪声能量时是有效的。但是，当噪声能量大于流量信号能量时，通常的数字信号处理方法会失效。为此，中国发明专利公布了一种抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统(徐科军，朱志海，刘三山，姜鹏.抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统，申请发明专利，200910116107.1，申请日：2009.1.21.)。考虑到当现场设备和管道安装好之后，振动的频率就固定下来了这个实际情况，该发明专利提出以下方案来解决此问题：(1)采集涡街传感器的信号进行频谱分析，根据涡街流量信号是宽带信号和固定振动信号是窄带信号的特点，以及现场设备的有关参数，例如电机的转速等，确定出管道的固定干扰频率；(2)根据固定干扰频率，设计陷波滤波器，以陷掉固定干扰信号。但是，在有些情况下，振动干扰频率是变化的，这种信号处理方法就不适用了。

国外SCHLATTER，Gerald，L.提出在建立噪声模板和信号模板的基础上，用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除涡街流量计中的强噪声(“Signal processing method andapparatus for flowmeter“，WO 90/04230，19 April 1990)。但是，噪声情况各种各样，不易获得噪声的所有模板。并且，专利没有说明如何建立信号和噪声的模板。

发明内容

本发明专利所依据的原理是：涡街流量信号和机械振动噪声具有不同的频率带宽特征，即振动噪声是相对的窄带信号，而涡街流量信号是相对的宽带信号；而自相关函数可以反映出信号的带宽特征。

本发明专利的技术方案是：首先对涡街流量传感器的输出信号进行频谱分析，按照一定的信噪比及幅值门限确定频率，这些频率可以是一个也可以是多个；然后，将这些频率作为带通滤波器的中心频率，分别对涡街流量传感器输出信号进行滤波；再计算滤波后信号在延迟τ后的一段时间内的自相关函数的峰值与τ＝0时自相关函数值的比值；最后，取最小比值对应的频率作为涡街流量信号的频率。

具体技术方案如下：

一种基于单传感器的抗强干扰涡街流量计数字信号处理系统，由模拟输入模块、模拟输出模块、单片机系统、脉冲输出模块、与外部单片机通信的通信模块、人机接口模块、电源模块和外部看门狗组成。首先对涡街流量传感器的输出信号进行频谱分析，按照一定的信噪比及幅值门限确定频率，这些频率可以是一个也可以是多个；然后，将这些频率作为带通滤波器的中心频率，分别对涡街流量传感器输出信号进行滤波；再计算滤波后信号在延迟τ后一段时间内自相关函数的峰值与τ＝0时的自相关函数值的比值；最后，取最小比值对应的频率作为涡街流量信号的频率。

涡街流量信号和机械振动噪声具有不同的频率带宽特征，即振动噪声是相对的窄带信号，涡街流量信号是相对的宽带信号；而通过自相关函数计算可以反映出信号的带宽特征。

模拟输入模块包括压电传感器、电荷放大器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器；模拟输出模块包括光耦、数模转换器和4～20mA输出电路；单片机模块包括单片机MSP430F5418、复位电路、欠压监测电路、铁电存储器；脉冲输出模块包括光耦和整形电路；与外部单片机通信的通信模块包括通信模块、光耦、整形电路和外部单片机；人机接口模块包括按键输入和液晶显示电路；电源模块包括隔离和非隔离直流-直流变换器、低压差线性稳压器。

采样的点数定为N点，不同口径的涡街流量计的采样频率不同；对N点采样值做快速傅立叶变换之后，用最大的幅值乘以设定的信噪比作为幅值的下限值，取某一幅值为门限值；将同时大于这两个值的峰值所对应的频率记下来；此时，如果频率的个数大于10，则取前10个最大的。

针对权利要求4所确定的频率BHz，实时设计带通滤波器；采用6阶带通巴特沃斯数字滤波器；带宽定为10Hz，则上边界的截止频率为(B-5)Hz，下边界的截止频率为(B+5)Hz。