摘要  综述了国内外在涡街流量计研究中的信号处理方法。简单介绍了日本、美国等数家公司的信号处理系统原理以及国内关于涡街流量计信号处理的几种有代表性的方法。在此基础上还介绍了作者自行研制的以数字信号处理器为处理核心的涡街流量计信号处理系统的软、硬件框图。

关键词   涡街流量计   信号处理   研究现状

0  引言

   涡街流量计是20世纪60年代末期发展起来的一种基于液体振动原理的流量计。20世纪70年代初，商品化的涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性，不仅如此，它的优点还包括仪表内无机械可动部件，被测流体本身就是振动体，性能可靠；使用寿命长；测量流体几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；可以适用液体、气体和蒸汽的测量，介质适应性宽，测量精度较高；压力损失小，量程比宽；可直接输出数字信号等。

涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感，它不仅可以感受传感器受到的涡街力，还可以感受到传感器受到的其他力，如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化，产生的随机脉动压力等，现场的干扰对流量测量产生很大的影响。目前，将涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题：一是抑制流场噪声的影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响。附加的旋涡干扰了涡街信号，降低了性噪比；二是准确测量小流量，因为小流量所产生的横向升力较小，检测信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小流量不能测量。例如涡街流量计的理论量程比为100∶1，而目前实际的量程比最大的为10∶1。

国内外的专家学者为解决涡街流量计应用中的关键性问题，作了大量的工作，取得了显著的成绩，推进了涡街流量计的研究。

1 国内外研究现状

    为了改善流量计的抗干扰性能，降低它的量程下限，国内外研究学者做了大量的工作，归纳起来主要在三个方面：①研究旋涡发生体的现状对流量计性能的影响。Pankain从优化非流线体几何结构和传感器安装位置的角度，研究了提高信号质量、频率稳定性和流量计线性度的方法^[1]；②研究涡街流量计工作环境流体状态的影响。Mottram和Rawat研究了脉动的流体对涡街流量计测量精度的影响^[2]。Lanevile研究了漩流的情况对流量计输出信号的影响^[3]；③将数字信号处理方法应用于流量计，处理传感器的输出信号，提取涡街信号频率。数字信号处理方法应用于涡街流量计，可以解决流量测量中存在的一些难题，是目前新技术流量计发展的主要方向。本文重点论述数字信号处理方法在涡街流量计中的应用。

1.1 国外研究状况

1990年，Schlatter等人研究了涡街流量计工作条件下的噪声情况，提出了强干扰条件下信号处理方案^[4]。这种强噪声具有以下特点：①幅值与涡街信号的幅度相当或高于涡街信号；②频率在涡街信号频率范围内；③当管道等一定时，噪声频率是确定的。但噪声信号和涡街流量信号特性不同，在实际测量中，涡街信号在时间轴上是缓慢变化的，变换到频域，结果是一宽带信号。对于固定的管道，噪声是恒定的,变换到频域是一窄带波形。在建立噪声模板和信号模板的基础上，提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除流量测量中的强噪声，即利用互相关方法，检测出噪声，从而消除噪声，再利用频谱分析得到涡街信号的准确频率，同时研制了以微处理器（TMS320C10）为核心的测量装置。但是，这种方法只针对某种特定的噪声，实际中噪声情况多种多样，不易获得所有噪声的模板。

1992年，Kawano通过增强非流线体的刚度和自适应低通滤波方法来提高流量计的性噪比^[5]，并采用自适应低频信号介质辨识器，根据信号频率来调整滤波器的截止频率，使流量计的抗干扰性能得到了改善，但是，由于限制了频率，无法测量小流量，量程也受到了限制。

1993年，Amadi－E研究了工作环境的噪声对旋涡脱离频率的影响[6]，分别给出了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下，流量计传感器输出信号，采用基于FFT的谱分析来计算涡街信号频率，提高了流量计的测量精度。同时使用系统辨识技术，根据涡街流量计输出信号变化来检测工作现场的情况。

Miau专门研究了冲击振动情况下对压电式涡街流量计输出的影响^[7]，通过改进传感器的设计降低传感器对脉冲振动，在传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器，去除脉冲振动产生的尖峰噪声。

1997年，Menz首次将传感器融合应用于流量计测量^[8]，研究了以超声波为探测元件的涡街流量计，超声波涡街流量计可以直接测量涡街信号频率，然后计算出流量，也可以先测出两个测量点之间旋涡通过的时间，再计算流量。将两种测量原理结合在一起，将两种测量方法的测量结果进行融合，得到新的流量值，提高了流量测量的精度，削弱流体噪声的影响。

不仅国外大量学者致力于流量计关键问题的研究，而且世界上很多生产涡街流量计的公司，诸如Yokagawa,Foxboro,Rosemount等也在进行着流量计新技术的研究。

Yokagawa是世界最早生产涡街流量计的公司^[9]，1968年生产出世界上第1台涡街流量计。在涡街流量计技术研究中Yokagawa公司一直处于领先地位，它研制地数字涡街流量计（YEWELO），以微处理器为核心，采用频谱信号处理（spectral signal processing）技术，利用信号频谱分析的结果，结合最佳噪声比搜索算法，调整带通滤波器（band psss filter,BFP）,除去噪声，提高流量测量精度。该公司的压电式涡街流量计采用两片压电元件作为检测元件，上下两片压电元件极化方向相反，如图1所示。

       图1  压电式涡街流量计

                    (1)

                              (2)

式中： 为上片压电元件的输出电荷；S1为上片压电元件的信号成分；N1为上片压电元件的噪声成分；Q2为下片压电元件的输出电荷；S2为下片压电元件的信号成分；N2为下片压电元件的噪声成分。

将式（1）加上 乘以式（2），得：

·

            =                        （3）

如果 ，且 ，则噪声成分将受到抑制。最佳噪声比搜索算法就是要找到 。系统原理框图和频谱分析结构框图分别如图2和图3所示。

                    图2 系统原理框图

              HPF-高通滤波器；LPF-低通滤波器

                   图3  频谱分析结构框图

Rosement公司研制了以数字跟踪滤波器（digitaltracking filter）为核心的涡街流量计数字信号处理系统^[10]，数字跟踪滤波器由一系列具有不同截止频率高低通滤波器组成，处理器根据涡街信号的特点，选择合适的滤波器处理输入信号。采用数字滤波器提高了流量测量和控制的可靠性和准确性。

Foxboro公司采用自适应滤波（adaptive filter）技术来提高流量测量的精度^[11]。涡街传感器的信号通过带通滤波器进行处理，该带通滤波器的截止频率根据涡街信号的测量频率动态调整，当测量频率变化很小时，滤波器的转折频率设置为跟踪信号频率变化；当测量频率变化比较大时，设置为搜索频率模式，初始化滤波器，重新测量涡街频率，这样避免了滤波器跟踪到噪声频率。

1.2 国内研究状况

国内的专家学者也在不断作出努力，采用先进的数字信号处理技术，解决应用上的关键问题。

重庆大学蒙建波等采用基于最小均方自适应算法建立流量信号的五阶自回归模型，计算其功率谱，从而确定主信号频率^[12]。由漩涡发生体、热线探针、前置处理电路和APPLE微机构成测量系统，验证了谱分析方法用于涡街流量计信号处理的可行性。但是，没有研究计算的精度、实时性和小型化等关键技术问题，没有应用于实际的流量测量中。此外，我们的研究证明，这种方法对谐波干扰的抑制能力较差。

重庆工业自动化仪表研究所的专家和北京公用事业研究所的专家分别针对工业现场的电磁干扰、管道振动干扰和流场干扰，研究了涡街流量计在屏蔽、结构设计和安装上的对策。同时认为，在电路和信号处理方面可以有效地抑制振动噪声^[13]。

长沙矿山研究院和浙江大学机电控制研究所从传感器入手，研究提高涡街流量计抗振性能和扩展量程下限的途径。

哈尔滨工业大学龚振起等将自适应处理方法应用于涡街流量计，采用线性预测谱估计法进行频谱分析，获得希望的信号频率^[14]。

合肥工业大学自动化研究所从上个世纪90年代起，开展了流量计的研究，将数字信号处理方法应用于涡街流量计中，并研制了以DSP为核心的处理系统。主要的数字信号处理方法有：

①基于FFT的经典谱分析方法^[15]。直接用傅立叶变换对有限时间序列计算功率谱，求取信号频率。该方法能有效抑制谐波干扰，但在非整周期采样时，有较大的泄漏误差，必须利用频谱校正方法来提高测量精度。

②基于Burg算法的现代谱估计方法——最大熵谱法^[16]。最大熵谱法先建立自回归模型，再计算功率谱。采样Burg算法，以正反向线性预测误差能量的平方和最小为准则，来估计自回归模型的系数。特别易于短序列的谱分析。

③自适应陷波抑制一个特定的频率，并且不受位于带宽以外的频率影响。研究证明该方法在非整周期采样、谐波和噪声干扰情况下频率测量都能达到较好精度，但存在不能准确测量幅值的问题。

④小波分析方法^[18]。小波变换可以作为一组带通滤波器，用来对涡街传感器信号进行滤波，去除噪声，以便准确提取频率信息。采用紧支集二次样条小波函数，利用小波变换的低通和带通滤波特性，可以把原始信号中的不同频率的信号成分分离出来。

⑤功率谱分析方法和互相相关方法。利用该方法解决强干扰条件下涡街流量计测量问题。其首先将频率测量范围分段，在不同频段建立噪声模板，然后用混合信号的功率谱与噪声模板作互相关，提取噪声，再利用插值法消除噪声，最后对消除噪声的信号进行频谱分析，计算出频率，利用频谱校正法提高计算精度^[19]。

⑥自适应滤波方法^[20]。利用该方法准确测出传感器输出信号的频率及在该频率下的幅值，通过换算测得质量流量。自适应滤波方法采用十抽一滤波器和高低通滤波器。其不足之处是采样点数多，计算时间长，实时性差。

研制成功以数字信号处理器(DSP)为处理核心的涡街流量计信号处理系统，系统的硬件框图如图4所示，软件框图如图5示。它采用周期图谱分析的方法对涡街流量传感器的信号进行数字处理，计算出信号频率，测量出流量。该系统在安徽省流量仪表计量鉴定站的水流量标定装置上进行性能测试，线性度达到0.11596％，重复性为0.0264575％。

                 图4  系统硬件框图

                图5  系统软件框图

1.3 研究重点

    总结以上工作，作者认为在数字信号处理方法应用上还存在一些问题，研究的重点主要有以下方面：

①已经研究了干扰信号与涡街信号在一频段的情况，当涡街信号和干扰信号的频率在同一频段且频率非常靠近时，如何分辨这两种信号，如何消除噪声信号的频谱对涡街信号频谱的干涉；

②研究小波分析时，所选用小波幅频特性的过渡带不够陡，使得它分频特性不好，造成频率分辨率不够高；同时，靠近涡街频率的谐波不易滤干净，将会影响测量精度，因此还需要研究小波函数的选取、分级，小波滤波器的幅频特性和中心频率的调整，采样频率和采样点数如何确定，以及在软件编程中，如何优化算法，使计算量少、内存占用量少和运算误差小，以保证体积小、实时性好和计算精度；

③研究强干扰噪声是以建立某种噪声的模板为基础，如何建立一种通用的模板，真正解决强干扰下涡街信号和噪声的判别、分离及提取问题；

④在传感器条件一定的情况下，如何利用信号处理技术扩大量程比，提高小流量测量精度；

⑤全面、深入地研究流场噪声以及它们对涡街信号影响。

2  结束语

   国内外的研究工作已部分解决了工程应用中出现的一些问题，推进了涡街流量计的应用，同时为进一步研究创造了条件。随着现场总线技术，智能仪表技术及数字信号处理技术的发展，涡街流量计的研究内容更加丰富。综合国内外研究状况，作者认为，涡街流量计研究的发展方向集中在以下方面：

①先进的传感器结构的设计，消除任何方向的振动干扰，稳定旋涡；

②采用全数字化现场总线的智能涡街流量计；

③应用先进的数字信号处理方法，更好的解决干扰问题，提高流量测量精度；

④实现真正质量流量测量。

涡街流量计是基于流体振动原理的流量计，具有一系列独特的优点，在计量检测中发挥越来越大的作用，应用前景非常广阔，因此涡街流量计的研究将具有重要的意义。