專利名稱：流體振動式流量計自適應(yīng)fft功率譜分析信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于流體振動式流量計的信號處理方法，尤其涉及一種流體 振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信號處理方法。
背景技術(shù)：
流體振動式流量計利用特定結(jié)構(gòu)誘發(fā)流體流經(jīng)其一次傳感器時產(chǎn)生振動， 并通過二次儀表檢測振動頻率來確定流體速度或流量。目前，流體振動流量計 應(yīng)用廣泛，但測量原理決定了其計量易受到外界噪聲的干擾，尤其是在流量小 振動頻率低時，噪聲導(dǎo)致一次傳感器輸出信號信噪比欠佳，難以檢測有效振動 信號，影響計量性能。因此，尋找合適的信號處理方法，改善流量計抗噪性能 及小流量時計量性能，對流體振動式流量計極為重要。目前，流體振動式流量 計采用的信號處理方法可分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理兩種。
傳統(tǒng)的模擬信號處理一般由硬件電路來實現(xiàn)，即流量傳感器測得的信號經(jīng) 過電路的放大、濾波、限幅、整形后，將脈沖信號送入微處理器進(jìn)行計數(shù)，從 而獲得被測介質(zhì)的瞬時和累計流量。用硬件電路計算頻率，實時性好，但是對 外界振動干擾敏感，機械振動和流場干擾使信號幅值變化很大，可能導(dǎo)致誤觸 發(fā)或丟步現(xiàn)象，造成測量誤差，而在流量小的低頻段，這一問題尤為突出。因 此，人們一般通過規(guī)定下限截止頻率，限制量程比來解決此問題，但這樣就提 高了流量計計量的下限，導(dǎo)致量程比較小。
近些年來，人們開始嘗試用數(shù)字信號處理代替硬件電路來解決上述問題。 數(shù)字信號處理技術(shù)具有靈活、精確、抗干擾性強、速度快等突出優(yōu)點，這些都 是模擬信號處理技術(shù)所無法比擬的。目前，用于流體振動式流量計的數(shù)字信號 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中提取有效振動信號的主頻率。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倍最大流量對應(yīng)信號頻率值。同時，為滿足 流量計電池供電的要求，又需采用低功耗單片機進(jìn)行FFT功率譜分析，而非功 耗較大的DSP，單片機有限的存儲空間限制了采樣點數(shù)。因此，現(xiàn)有數(shù)字信號 處理方法雖有效解決了抗噪問題，改善了流量計重復(fù)性，但受單片機有限的存 儲空間限制，低流速時較大的采樣頻率、較低的采樣點數(shù)將使頻率分辨率無法
達(dá)到要求，從而引起測量誤差，導(dǎo)致流量計小流量測量性能仍不令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信號 處理方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
信號處理模塊設(shè)置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪
聲的一次傳感器輸出信號Sl輸入信號處理模塊，經(jīng)信號處理模塊對一次傳感器 輸出信號Sl進(jìn)行自適應(yīng)FFT功率譜分析處理后，輸出去噪后的有效振動脈沖信 號S3，提供給流量計二次儀表用于流量計算，以提高流量計抗噪性能并降低測 量下限。
所述信號處理模塊由用于模擬信號處理的硬件電路與用于數(shù)字信號處理的 單片機組成， 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進(jìn)入信號處理模塊， 一路經(jīng)過硬件 電路，對信號進(jìn)行放大、濾波、限幅及整形的模擬信號處理，預(yù)判振動信號頻 率范圍，單片機以此為依據(jù)實現(xiàn)采樣頻率的自適應(yīng)調(diào)整，以合適的采樣頻率對 另外一路直接進(jìn)入單片機的一次傳感器輸出信號Sl進(jìn)行采樣，進(jìn)而通過FFT功 率譜分析輸出最終用于計算流量的有效振動脈沖。
所述采用自適應(yīng)的FFT功率譜分析方法，單片機根據(jù)模擬處理結(jié)果判斷信 號頻率所處范圍，進(jìn)而與預(yù)設(shè)的分段頻率進(jìn)行比較，選取與之匹配的采樣頻率 并對原始振動信號進(jìn)行采樣，使FFT功率譜分析時信號采樣頻率可根據(jù)信號頻 率進(jìn)行自行調(diào)整，而非單一固定的采樣頻率，可在不發(fā)生頻率混疊的同時保證 頻率分辨率要求。
所述信號處理模塊還具備使能端口，在流量計測量時，流量計二次儀表通 過使能端口C1喚醒信號處理模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，測量結(jié)束后，信號處理模塊自 動進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，以此實現(xiàn)信號處理模塊在低功耗流量計中的應(yīng)用。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是
避免了硬件電路模擬信號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適用于高低頻計量的弊端，以自適應(yīng) 的方式尋找合理的采樣頻率，提高了低頻時的頻率分辨率，可有效改善流量計 測量精度并降低計量下限，適用于流體振動式流量計，尤其適用于電池供電的 流體振動式流量計。


圖1是模塊結(jié)構(gòu)及信號流程圖。
圖2是模塊軟件工作流程圖。 圖3是信號示意圖。
圖中1、流量計一次傳感器，2、信號處理模塊，3、流量計二次儀表，①、 前置放大電路，②、濾波電路，◎、限幅電路， 、整形電路，⑤、單片機， Sl、 一次傳感器輸出信號，S2、模擬信號處理后信號，S3、有效振動脈沖信號， Cl、使能端口
具體實施例方式
如圖1所示，信號處理模塊2介于流量計一次傳感器1與流量計二次儀表3 之間，以帶有噪聲的一次傳感器輸出信號Sl為輸入，輸出去噪后的有效振動脈 沖S3，提供給流量計二次儀表3用于流量計算。信號處理模塊2內(nèi)部采用模擬 信號處理與數(shù)字信號處理相結(jié)合的方式。 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進(jìn)入信 號處理模塊2，其中一路經(jīng)過由前置放大電路①、濾波電路②、限幅電路③及整 形電路④組成的硬件電路進(jìn)行模擬處理，最后模擬信號處理后信號S2進(jìn)入單片 機 。單片機⑤內(nèi)部存有數(shù)字信號處理程序，并已將信號頻率劃分為幾個頻段， 給出了每個頻段信號合適的采樣頻率值。單片機⑤根據(jù)模擬信號處理后信號S2 預(yù)判信號頻率范圍，并根據(jù)所處頻段選定合適的采樣頻率值。同時，另一路一 次傳感器輸出信號S1被直接引到單片機⑤的A/D輸入端口，單片機⑤以選定的 采樣頻率對一次傳感器輸出信號Sl進(jìn)行采樣，并以FFT功率譜分析方式實現(xiàn)數(shù) 字信號處理，獲得準(zhǔn)確的有效振動信號頻率。最終，單片機⑤輸出有效振動脈 沖S3給流量計二次儀表3，用于計算流量。
上述處理過程中，采樣頻率分段是通過考慮香農(nóng)采樣定理和頻率分辨率要 求來設(shè)定的。假設(shè)模擬信號處理后信號S2頻率為Fv，單片機⑤根據(jù)此頻率Fv 選擇下一次AD采樣的采樣頻率f，選擇的依據(jù)為Fv大于f的1/8，但是不超過 f的1/4，這樣便可在保證不發(fā)生混疊的情況下滿足分辨率要求。以輸出頻率范 圍為0-2048Hz的流量計為例若按照傳統(tǒng)FFT功率譜分析信號處理方法選用 單一采樣頻率，則采樣頻率必須大于4096Hz，在采樣點數(shù)為1024時，分辨率只 有4Hz，對于32Hz的低頻信號，誤差將達(dá)到12.5%，嚴(yán)重影響了低頻時的測量 精確度；若按照本發(fā)明自適應(yīng)FFT功率譜分析信號處理方法將采樣頻率分段， 32Hz時選取128Hz的采樣頻率，則分辨率可達(dá)到0.125Hz，誤差大幅減小，大 大提高低頻時測量精度。完成采樣頻率的自適應(yīng)調(diào)整后，單片機⑤根據(jù)調(diào)整后 的采樣頻率f對信號進(jìn)行FFT功率譜分析，從中提取出信號主頻率F。其中， FFT功率譜分析算法使用較多的是針對采樣點數(shù)N等于2的整數(shù)次冪的算法，
"基"數(shù)越大，運算的次數(shù)越少，但是當(dāng)"基"數(shù)大于4后，運算次數(shù)的減少不再明 顯，本發(fā)明中采用基于頻率采樣(DIF)的基2算法。
上述信號處理過程中的信號示意圖如圖2所示， 一次傳感器輸出信號S1由 有效振動信號與噪聲信號合成。模擬信號處理后信號S2通常存在誤觸發(fā)與丟步 現(xiàn)象，若采用傳統(tǒng)的模擬信號處理方法，則這些現(xiàn)象在常規(guī)流量時將影響測量 重復(fù)性，在小流量時則影響更大，使得人們不得不提高流量計計量下限。但本 發(fā)明中，模擬信號處理后信號S2只是用于預(yù)判頻率范圍，為后續(xù)數(shù)字信號處理 選擇合適的采樣頻率提供依據(jù)，無需很高的精度。用于計算流量有效振動信號 頻率則是單片機通過內(nèi)部的數(shù)字信號處理程序得到，并以圖中所示有效振動脈 沖S3的方式給出。
最后，由于現(xiàn)有流體振動式流量計多采用電池供電，因此本發(fā)明信號處理 模塊也需具備低功耗的特點，以避免由于信號處理模塊的加入過多地增加流量 計功耗。模塊中前置放大電路①、濾波電路②、限幅電路③、整形電路④及單 片機⑤都選用低功耗的CMOS器件。此外，模塊2提供使能端口C1，使得流量 計二次儀表3能通過端口 Cl控制模塊2的工作時序，以降低模塊2的平均功耗。 如圖3所示，在不測量時，整個模塊2都處于低功耗的休眠模式，只有當(dāng)需要 測量時，二次儀表2才通過端口 Cl喚醒模塊2進(jìn)行自適應(yīng)FFT功率譜信號處理。
權(quán)利要求
1、一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信號處理方法，其特征在于信號處理模塊設(shè)置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪聲的一次傳感器輸出信號S1輸入信號處理模塊，經(jīng)信號處理模塊對一次傳感器輸出信號S1進(jìn)行自適應(yīng)FFT功率譜分析處理后，輸出去噪后的有效振動脈沖信號S3，提供給流量計二次儀表用于流量計算，以提高流量計抗噪性能并降低測量下限。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信 號處理方法，其特征在于所述信號處理模塊由用于模擬信號處理的硬件電路 與用于數(shù)字信號處理的單片機組成， 一次傳感器輸出信號Sl分兩路進(jìn)入信號處 理模塊， 一路經(jīng)過硬件電路，對信號進(jìn)行放大、濾波、限幅及整形的模擬信號 處理，預(yù)判振動信號頻率范圍，單片機以此為依據(jù)實現(xiàn)采樣頻率的自適應(yīng)調(diào)整， 以合適的采樣頻率對另外一路直接進(jìn)入單片機的一次傳感器輸出信號Sl進(jìn)行采 樣，進(jìn)而通過FFT功率譜分析輸出最終用于計算流量的有效振動脈沖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信 號處理方法，其特征在于所述采用自適應(yīng)的FFT功率譜分析方法，單片機根 據(jù)模擬處理結(jié)果判斷信號頻率所處范圍，進(jìn)而與預(yù)設(shè)的分段頻率進(jìn)行比較，選 取與之匹配的采樣頻率并對原始振動信號進(jìn)行采樣，使FFT功率譜分析時信號 采樣頻率可根據(jù)信號頻率進(jìn)行自行調(diào)整，而非單一固定的采樣頻率，可在不發(fā) 生頻率混疊的同時保證頻率分辨率要求。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信 號處理方法，其特征在于所述信號處理模塊還具備使能端口，在流量計測量 時，流量計二次儀表通過使能端口C1喚醒信號處理模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，測量結(jié) 束后，信號處理模塊自動進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，以此實現(xiàn)信號處理模塊在低功 耗流量計中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種流體振動式流量計自適應(yīng)FFT功率譜分析信號處理方法。信號處理模塊設(shè)置在流量計一次傳感器與流量計二次儀表之間，將帶有噪聲的一次傳感器輸出信號S1輸入信號處理模塊，經(jīng)信號處理模塊進(jìn)行自適應(yīng)FFT功率譜分析處理后，輸出去噪后的有效振動脈沖信號S3，提供給流量計二次儀表用于流量計算，以提高流量計抗噪性能并降低測量下限。避免了傳統(tǒng)模擬信號處理存在的丟步與誤觸發(fā)現(xiàn)象，克服了傳統(tǒng)單一采樣頻率FFT功率譜分析方法不能同時適用于高低頻計量的弊端，以自適應(yīng)的方式尋找采樣頻率，提高了低頻時的頻率分辨率，改善流量計測量精度并降低計量下限，適用于流體振動式流量計，尤其適用于電池供電的流體振動式流量計。
文檔編號G01F1/66GK101363746SQ20081016166
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者新 付, 朋 葉, 峰 王, 亮 胡, 阮曉東 申請人:浙江大學(xué);天信儀表集團有限公司