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技術(shù)文章

渦街流量計(jì)加權(quán)平均的頻率校正方法


發(fā)布日期:2021-01-11 點(diǎn)擊:1770次
  為解決渦街流量計(jì)容易受到管道強(qiáng)周期振動(dòng)干擾這個(gè)國(guó)際難題,根據(jù)渦街流量信號(hào)的頻率波動(dòng)大于周期振動(dòng)干擾這一特性差異,提出了基于頻率方差的數(shù)字信號(hào)處理方法,通過設(shè)置方差閾值來分辨渦街流量信號(hào)和周期振動(dòng)干擾。其頻率波動(dòng)特性差異已通過第二章的模型分析進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法只用了一個(gè)常規(guī)的渦街流量傳感器,對(duì)渦街流量傳感器的設(shè)計(jì)和安裝沒有過多要求,相對(duì)而言更易于實(shí)現(xiàn)和推廣,且節(jié)省成本。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,若頻率估計(jì)出現(xiàn)較大誤差,將不能真實(shí)地反映渦街流量信號(hào)、周期振動(dòng)干擾和同頻信號(hào)的頻率波動(dòng)規(guī)律,最終影響基于頻率方差的數(shù)字信號(hào)處理方法的可靠性。因此,提高頻率估計(jì)精 度對(duì)于保障渦街流量計(jì)的抗振性能具有重要意義。
  渦街流量傳感器輸出的正弦信號(hào)中常疊加有噪聲干擾,為了從含噪信號(hào)中提取出渦街頻率,基于FFT的頻譜分析方法成為處理渦街流量傳感器輸出信號(hào)的有力工具,并得到較為廣泛的應(yīng)用。但是,過程工業(yè)對(duì)渦街流量計(jì)有低功耗、兩線制和實(shí)時(shí)性方面的要求。為了實(shí)現(xiàn)兩線制,渦街流量計(jì)的系功耗必須小于4mA,這就要求用低功耗單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)算法,而單片機(jī)的運(yùn)算速度和資源都有限。為了實(shí)時(shí)測(cè)量,一般要求渦街流量計(jì)在2S內(nèi)刷新測(cè)量結(jié)果,這就要求單片機(jī)的采樣時(shí)間和運(yùn)算時(shí)間都不能太長(zhǎng)。若采樣時(shí)間短,頻譜分析的分辨率將變差,測(cè)量精度就可能變差。若運(yùn)算周期不能過長(zhǎng),就只能選擇相對(duì)簡(jiǎn)潔的算法。因此,對(duì)于渦街流量計(jì)這類過程儀表,采用運(yùn)算量少、占用存儲(chǔ)空間少、抗干擾能力強(qiáng)的頻譜校正方法去提高頻譜分析的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要的實(shí)際意義。含噪信號(hào)頻率校正的精度將直接影響流量測(cè)量的精度,為了提高頻率校正方法的抗噪性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)含噪信號(hào)的頻譜校正做了分析和研宄。綜合性能更佳的有下面3種方法。采用Hann窗截?cái)嗟哪?/span>量重心校正法(簡(jiǎn)稱HWEC),出現(xiàn)校正方向誤判的可能性很小,是一種穩(wěn)健的校正方法.但是,該方法的主瓣較寬,降低了相近頻率的分辨能力;采用Harm窗截?cái)啵黾恿诉\(yùn)算量。綜合相位差校正法(簡(jiǎn)稱為RWPD)在接近整周期采樣時(shí)具有較強(qiáng)的抗噪能力。但是,其運(yùn)算量大,且在頻率偏差接近于0.5時(shí),該方法的校正誤差變大。Quinn提出基于傅里葉系數(shù)之比的校正方法(簡(jiǎn)稱為RWFCR),并證明了采樣傅里葉系數(shù)之比的方法來判斷校正方向的可靠性。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便,抗干擾能力較強(qiáng),但是這兩篇參考文獻(xiàn)中都缺乏實(shí)際應(yīng)用。
  為此,本章采用矩形窗截?cái)嗖蓸訑?shù)據(jù),基于傅里葉系數(shù)之比,提出一種雙向校正結(jié)合加權(quán)平均的頻率加權(quán)修正方法(RWBWFCR)來提高正弦信號(hào)的頻率估計(jì)精度。給出了該方法的校正原理;分析了不同初始相位、不同頻率偏移量、不同FFT點(diǎn)數(shù)和不同信噪比對(duì)該頻率校正方法的影響;推導(dǎo)并驗(yàn)證了含平穩(wěn)高斯白噪聲時(shí)該頻率估計(jì)方法的理論精度。該方法運(yùn)算量少、占用存儲(chǔ)空間小、校正精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于用MCU實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。并將該方法應(yīng)用到低功耗抗強(qiáng)周期振動(dòng)型單傳感器渦街流量計(jì)中去提高基于頻率方差的數(shù)字信號(hào)處理方法的可靠性。本章的研究思路和主要研宄內(nèi)容如圖所示

 
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