專利名稱：一種基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦街信號處理方法，特別地，涉及一種在渦街流量計中使 用的基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法。
背景技術(shù)：
渦街流量計是基于卡門渦街原理而設(shè)計的一種流量計，自20世紀70年代 以來得到了迅速發(fā)展，目前已廣泛用于氣體、液體和蒸汽流量的測量。渦街流 量計在本質(zhì)上屬于流體振動型流量計，因此在工業(yè)現(xiàn)場使用時，管道及各種設(shè) 備振動引起的干擾會降低測量精度，影響測量下限。在渦街信號處理方面，利 用現(xiàn)代信號處理方法對渦街流量計信號進行處理，從含有噪聲的信號中準確提 取渦街頻率，以提高測量精度，是當前渦街流量計的研究熱點之一。采用的方 法大多利用信號與噪聲特性上的差異，通過數(shù)學(xué)變換方法來削弱噪聲，提取有 用信號，不存在噪聲與信號能量轉(zhuǎn)換的物理機制，因而難以放大強噪聲中的弱信號。其次，渦街流量計的輸出信號由兩部分組成 一是由管道中流體流過渦街發(fā)生體產(chǎn)生的正弦渦街信號；二是由各種干擾引起的噪聲信號，如管道振動， 湍流脈動，及工業(yè)現(xiàn)場其他設(shè)備的干擾等。所有這些噪聲都會引起現(xiàn)場測量信 號信噪比降低，當干擾嚴重或在小流量測量時，甚至無法正確測得渦街頻率， 影響了渦街流量計的正常使用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于外差式隨機共振的渦 街頻率檢測方法。本發(fā)明的的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 一種基于外差式隨機共振的 渦街頻率檢測方法，包括如下步驟1 ) 將渦街信號輸入混頻器，經(jīng)外差法而產(chǎn)生高、低兩種不同的頻率成分；2) 混頻器的輸出信號再作用到隨機共振系統(tǒng)，分析隨機共振系統(tǒng)輸出的功率譜；3) 連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率，根據(jù)隨機共振系統(tǒng)輸出信號的功率譜圖及其 功率譜倒數(shù)圖，捕捉特征頻率，確定渦街信號頻率。本發(fā)明的有益的效果在于(1) 通過連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率，系統(tǒng)輸出渦街信號的共振譜峰將出現(xiàn)特征 極為明顯的變化過程，從而可以方便準確的測得渦街頻率。(2) 含噪的渦街信號通過隨機共振能有效放大渦街信號，提高渦街信號的信噪比，準確地獲取渦街頻率。(3) 該方法可提高渦街流量計現(xiàn)場適應(yīng)性，并為小流量弱渦街信號頻率檢測提 供了一種新的方法。(4) 該方法也適用于其它領(lǐng)域涉及強噪聲中的微弱信號檢測，可拓寬隨機共振 的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明外差式隨機共振頻率檢測原理框圖； 圖2為采集流量為3.43 m3/h (小流量)渦街信號時域波形圖； 圖3為采集流量為11.58 mVh (大流量)渦街信號時域波形圖； 圖4為小流量信號經(jīng)外差式隨機共振系統(tǒng)后低頻部分功率譜圖； 圖5為外差式隨機共振輸出功率譜隨載波信號頻率變化曲線圖；圖6為外差式隨機共振輸出功率譜倒數(shù)隨載波信號頻率變化曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明的基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，包括如下步驟一、 將渦街信號輸入混頻器，經(jīng)外差法而產(chǎn)生高、低兩種不同的頻率成分。將渦街頻率為f0的渦街流量計輸出信號與頻率為fc的載波信號發(fā)生器輸出 信號在混頻器中相乘，獲得頻率為fc士f0的兩個信號，其中和頻fc+fO為高頻， 而差頻Af二fc-fO是低頻。二、 混頻器的輸出信號再作用到隨機共振系統(tǒng)，分析隨機共振系統(tǒng)輸出的功率 譜。輸入至非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)的和頻信號與差頻信號，當差頻信號A f=fc-fO頻率較低時，容易在雙穩(wěn)系統(tǒng)中形成隨機共振，輸出信號的信噪比明顯提高，信號 功率譜幅值也放大，和頻信號fc+f0通過雙穩(wěn)系統(tǒng)將衰減。三、連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率，根據(jù)隨機共振系統(tǒng)輸出信號的功率譜圖及其功 率譜倒數(shù)圖，捕捉特征頻率，確定渦街信號頻率。通過連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號發(fā)生器的輸出頻率fc，差頻信號A f=fC-fD的頻率隨 之而變，非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號的差頻共振譜峰將出現(xiàn)從小到大又突然消失 等變化過程，據(jù)此可準確測定渦街信號的頻率。具體來說，整個檢測方法主要由載波信號發(fā)生器、混頻器、非線性雙穩(wěn)系 統(tǒng)三大塊組成，其原理框圖如圖1所示。載波信號發(fā)生器的作用是產(chǎn)生頻率fc 可變的載波信號，混頻器用來實現(xiàn)外差法，即將待求頻率的渦街信號作為輸入 信號在混頻器中與已知頻率為fb的載波信號相乘從而獲得差頻與和頻兩種頻率信號；假設(shè)渦街頻率為f0，則混頻器輸出的是頻率為fc-fO和fc +^0的兩個信 號。只有當差頻信號的頻率較低，即fc-fOAf〈〈時，才能產(chǎn)生容易在雙穩(wěn)系 統(tǒng)中形成隨機共振的低頻信號。差頻信號Af經(jīng)過雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生隨機共振后信噪 比明顯提高，幅值也放大，而和頻fc +fD信號經(jīng)雙穩(wěn)系統(tǒng)后基本衰減。因此， 外差式隨機共振系統(tǒng)輸出信號的頻譜將在頻率Af處出現(xiàn)譜峰。通過調(diào)節(jié)fc能靈 活地改變頻率Af的大小，可使發(fā)生在頻率Af處的譜峰明顯突出。但當載波頻 率fc-f0，即Af:0時，雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸入不再存在低頻周期信號，隨機共振系 統(tǒng)輸出的共振譜峰將隨之消失。據(jù)此可準確測定渦街信號的頻率。以下通過實施例對本發(fā)明內(nèi)容做進一步解釋。用該方法對渦街流量計輸出 信號進行處理，以小流量3.43 mVh和一般流量11.58 mVh為例。圖2、圖3分 別為小流量3.43 m3/h和一般流量11.58 m3/h的時域信號，兩者相比，在小流量， 時域信號周期性不如大流量明顯，渦街周期信號幅值小，幾乎被強噪聲所淹沒。 對于更小的流量，其信噪比更低，這也是當前渦街流量信號處理的難點之一。 將小流量信號經(jīng)外差式隨機共振系統(tǒng)后，當fc = 8.804 Hz時，信號低頻部分功 率譜如圖4所示，在差頻Af- 0.004 Hz處有一明顯譜峰。可見經(jīng)外差式隨機共 振后的功率譜峰值明顯,信噪比較高,易于準確測量頻率。fO-fc-Af，因此測得 渦街頻率為8.8Hz。當連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率fc，特別是從小于8.8 Hz到大 于8.8Hz時，外差式隨機共振輸出的功率譜峰出現(xiàn)了極為敏感的變化，譜峰值 出現(xiàn)了從急劇增大，突然消失再到急劇增大等現(xiàn)象，如圖5所示。將功率譜峰 值求倒數(shù)，則變化規(guī)律正好相反，為正確捕捉特征頻率帶來方便，圖6中8.8Hz 這一頻率值正是待檢測的渦街頻率。
權(quán)利要求
1、一種基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，其特征在于，包括如下步驟1)將渦街信號輸入混頻器，經(jīng)外差法而產(chǎn)生高、低兩種不同的頻率成分。2)混頻器的輸出信號再作用到隨機共振系統(tǒng)，分析隨機共振系統(tǒng)輸出的功率譜。3)連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率，根據(jù)隨機共振系統(tǒng)輸出信號的功率譜圖及其功率譜倒數(shù)圖，捕捉特征頻率，確定渦街信號頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，其特征在于，所述步驟(1)具體為將渦街頻率為犯的渦街流量計輸出信號與頻率 為fc的載波信號發(fā)生器輸出信號在混頻器中相乘，獲得頻率為fc士fO的兩個信 號，其中和頻fc+fD為高頻，而差頻Af-fc-fO是低頻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為輸入至非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)的和頻信號與差頻信號，當差頻信號Af二fc-fD頻率較低時，容易在雙穩(wěn)系統(tǒng)中形成隨機共振，輸出信號 的信噪比明顯提高，信號功率譜幅值也放大，和頻信號fc+f0通過雙穩(wěn)系統(tǒng)將衰減。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為通過連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號發(fā)生器的輸出頻率fc， 差頻信號Af-fc-fD的頻率隨之而變，非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號的差頻共振譜峰 將出現(xiàn)從小到大又突然消失等變化過程，據(jù)此可準確測定渦街信號的頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于外差式隨機共振的渦街頻率檢測方法，該方法將渦街信號輸入外差式隨機共振系統(tǒng)，連續(xù)調(diào)節(jié)載波信號的頻率，分析系統(tǒng)輸出信號的功率譜及其功率譜倒數(shù)，共振譜峰隨頻率將出現(xiàn)特征極為明顯的變化過程，從而可以方便準確的捕捉到共振譜峰所在頻率，即渦街信號頻率，該方法有效地提高渦街信號信噪比，為提高渦街流量計現(xiàn)場適應(yīng)性及小流量弱渦街信號頻率檢測提供了一種新的方法。
文檔編號G01F1/32GK101226070SQ200810059809
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者敏 林, 黃詠梅 申請人:中國計量學(xué)院