徐科軍， 王 沁， 方 敏， 邵春莉

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.工業(yè)自動(dòng)化安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230009）

基于數(shù)字濾波與自相關(guān)的渦街流量計(jì)抗強(qiáng)振動(dòng)方法改進(jìn)

徐科軍1，2， 王 沁1， 方 敏1， 邵春莉1

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.工業(yè)自動(dòng)化安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230009）

渦街流量計(jì)容易受到管道振動(dòng)的干擾，對(duì)測(cè)量精度造成較大影響，特別是當(dāng)振動(dòng)噪聲的功率大于渦街信號(hào)的功率時(shí)，采用通常的數(shù)字信號(hào)處理方法也無(wú)法得到正確的渦街頻率。為此，提出將數(shù)字濾波和自相關(guān)相結(jié)合的算法，運(yùn)用于渦街流量傳感器的信號(hào)處理，從含有強(qiáng)振動(dòng)干擾的信號(hào)中識(shí)別出流量信息。針對(duì)該方法在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中遇到的問(wèn)題，對(duì)已有系統(tǒng)軟件進(jìn)行改進(jìn)和完善?；贛SP430F5418單片機(jī)，使用匯編語(yǔ)言編制實(shí)數(shù)FFT算法實(shí)現(xiàn)了自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算。

計(jì)量學(xué)；渦街流量計(jì)；數(shù)字濾波；自相關(guān)；強(qiáng)振動(dòng)干擾；FFT；單片機(jī)

1 引 言

渦街流量計(jì)由于無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，安裝方便，量程比較寬，并且可以測(cè)量氣體和液體介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于渦街流量計(jì)普遍采用應(yīng)力式傳感方式，極易受到管道振動(dòng)的干擾，無(wú)法保證測(cè)量精度，有時(shí)還出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果［1］。采用數(shù)字信號(hào)處理方法可以從含有噪聲的信號(hào)中提取流量信息［2～6］。但是，當(dāng)振動(dòng)噪聲的功率大于渦街信號(hào)的功率時(shí)，普通的數(shù)字信號(hào)處理方法也無(wú)法得到正確的流量信息。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)［7］提出了基于數(shù)字濾波和自相關(guān)算法相結(jié)合的抗強(qiáng)振動(dòng)干擾處理方法，并用超低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是，要在實(shí)際應(yīng)用中取得好的應(yīng)用效果，還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。為此，本文基于MSP430F5418單片機(jī)，編制匯編語(yǔ)言的實(shí)數(shù)FFT算法完成自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算，提高計(jì)算速度；改進(jìn)自相關(guān)衰減系數(shù)的計(jì)算方法，保證測(cè)量精度。

2 抗強(qiáng)振動(dòng)干擾方法

2.1 基本原理

渦街流量信號(hào)在理想情況下為規(guī)則穩(wěn)定的正弦信號(hào)，渦街體積流量與該正弦信號(hào)頻率成正比。但是，在實(shí)際工作環(huán)境下，由于水泵或其它因素的影響均會(huì)引起管道內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定，因此實(shí)際的渦街流量信號(hào)并不是完全穩(wěn)定的正弦波，其頻率會(huì)因?yàn)楦蓴_的影響存在晃動(dòng)。而強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)一般由機(jī)泵或閥門(mén)開(kāi)關(guān)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)引起，因此，其頻率為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的振動(dòng)頻率或其倍頻，一般較固定。文獻(xiàn)［8］通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，以功率譜計(jì)算為基礎(chǔ)，定性地分析了渦街信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的帶寬特征，得出渦街信號(hào)為寬帶信號(hào)，而振動(dòng)信號(hào)為窄帶信號(hào)的結(jié)論。文獻(xiàn)［7］分別對(duì)強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)和渦街信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，得到不同的衰減特性。自相關(guān)計(jì)算可以反映數(shù)組序列不同時(shí)刻數(shù)據(jù)的相關(guān)性，因?yàn)閺?qiáng)振動(dòng)噪聲信號(hào)為窄帶信號(hào)，其頻率值波動(dòng)范圍較小，而渦街信號(hào)為寬帶信號(hào)，頻率波動(dòng)較大，因此強(qiáng)振動(dòng)噪聲的相關(guān)性要優(yōu)于渦街信號(hào)，這一特征在自相關(guān)函數(shù)上表現(xiàn)為，渦街信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)隨著時(shí)間的延時(shí)，其幅值有較大程度的衰減，見(jiàn)圖1；而強(qiáng)振動(dòng)噪聲則衰減較小，見(jiàn)圖2。

圖1 渦街信號(hào)自相關(guān)衰減函數(shù)圖

圖2 強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)自相關(guān)衰減函數(shù)圖

為此，文獻(xiàn)［7］提出了基于數(shù)字濾波和自相關(guān)相結(jié)合的渦街流量傳感器抗強(qiáng)干擾信號(hào)處理方法，具體處理過(guò)程為：首先對(duì)采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，按照一定的信噪比及幅值門(mén)限確定頻率個(gè)數(shù)，可能為0，可能為1，也可能大于1。當(dāng)頻率個(gè)數(shù)為0時(shí)，系統(tǒng)輸出0表示沒(méi)有流量。當(dāng)頻率個(gè)數(shù)為1時(shí)，會(huì)有3種情況：（1）只有渦街流量；（2）只有噪聲；（3）渦街流量信號(hào)與噪聲信號(hào)同頻。可以求原信號(hào)延遲一段時(shí)間后的自相關(guān)函數(shù)在半個(gè)周期內(nèi)的幅值與在時(shí)間為0時(shí)的自相關(guān)函數(shù)的值的比值，稱(chēng)該比值為衰減系數(shù)，當(dāng)衰減系數(shù)小于設(shè)定的閾值時(shí)，即只有渦街流量信號(hào)或渦街流量信號(hào)與噪聲信號(hào)同頻，輸出渦街流量頻率；當(dāng)衰減系數(shù)大于等于閾值時(shí)，即只有噪聲，輸出0表示沒(méi)有流量。當(dāng)頻率的個(gè)數(shù)大于1時(shí)，要先采用數(shù)字帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，將濾波以后得到的相應(yīng)頻率的信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，然后計(jì)算0.5 s附近的正弦信號(hào)波峰值與自相關(guān)函數(shù)的第一點(diǎn)的比值，然后判斷不同頻率點(diǎn)信號(hào)所得到的衰減系數(shù)的大小，其中衰減系數(shù)最小的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)即為渦街信號(hào)。

2.2 幾點(diǎn)局限

該方法根據(jù)振動(dòng)信號(hào)和渦街信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的衰減程度的不同，作為去除噪聲信號(hào)的依據(jù)，在一定程度上解決了抗強(qiáng)振動(dòng)干擾的問(wèn)題。但是，由于為了滿(mǎn)足低功耗、兩線(xiàn)制過(guò)程控制儀表的要求，無(wú)法選用DSP去實(shí)現(xiàn)算法，只能選用低功耗單片機(jī)，而單片機(jī)內(nèi)存單元和計(jì)算速度都很有限，所以，該方法在實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還存在以下3方面的問(wèn)題：

（1）該算法中采用了數(shù)字帶通濾波器，對(duì)原始的渦街流量傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，得到相應(yīng)頻率點(diǎn)的信號(hào)。在Matlab仿真中，設(shè)定的帶通濾波器帶寬較窄，僅為［－5 Hz，5 Hz］。由于單片機(jī)的內(nèi)存單元有限，只能進(jìn)行2048點(diǎn)的濾波，而數(shù)字帶通濾波器的帶寬較窄，因此會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的收斂過(guò)程，如圖3和圖4所示。

圖3 帶通濾波后振動(dòng)信號(hào)

當(dāng)渦街信號(hào)頻率和強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)頻率值很靠近時(shí)，經(jīng)過(guò)帶寬很窄的數(shù)字帶通濾波器濾波后，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)；并且經(jīng)過(guò)濾波后的振動(dòng)信號(hào)以及渦街信號(hào)在前300個(gè)點(diǎn)均為收斂過(guò)程，同時(shí)，整個(gè)范圍內(nèi)幅值也存在失真的情況，這對(duì)下一步的自相關(guān)計(jì)算造成不良影響。

圖4 帶通濾波后渦街信號(hào)

（2）自相關(guān)函數(shù)可以描述隨機(jī)過(guò)程中任意2個(gè)不同時(shí)刻之間相關(guān)性，反映函數(shù)在2個(gè)不同時(shí)刻的狀態(tài)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)程度。自相關(guān)估計(jì)一般需要點(diǎn)數(shù)較多，在Matlab中使用了16384個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行仿真，但是，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中單片機(jī)內(nèi)存的限制，只能進(jìn)行2048個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)計(jì)算，點(diǎn)數(shù)減少，從而降低自相關(guān)計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，用來(lái)計(jì)算自相關(guān)的序列是經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波得到的，而當(dāng)數(shù)字濾波的結(jié)果不能真實(shí)反映相應(yīng)頻率點(diǎn)信號(hào)時(shí)，也會(huì)對(duì)自相關(guān)函數(shù)造成影響。圖5和圖6分別為振動(dòng)信號(hào)和渦街信號(hào)的2048個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)函數(shù)圖。由圖5可以看出，振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)也存在一定的衰減，而由6可以看出，渦街信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的衰減曲線(xiàn)存在波動(dòng)。

圖5 振動(dòng)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)

（3）該方法采用無(wú)偏估計(jì)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算：

圖6 渦街信號(hào)自相關(guān)函數(shù)

式中：R為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；r為延遲時(shí)間；x（n）為濾波后的原始信號(hào)；n＝0，1，2，…，R－r－1。

采用式（1）的方法乘法次數(shù)多，運(yùn)算量較大。因此，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，原來(lái)的系統(tǒng)中根據(jù)振動(dòng)自相關(guān)函數(shù)和渦街信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算上的簡(jiǎn)化，因?yàn)樵诜抡嬷姓駝?dòng)信號(hào)和渦街信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的衰減規(guī)律都是單向衰減，并且振動(dòng)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)衰減較慢，因此我們一般選擇0.5 s延時(shí)附近的峰值點(diǎn)與自相關(guān)函數(shù)的第一個(gè)峰值點(diǎn)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出振動(dòng)信號(hào)和渦街信號(hào)的衰減系數(shù)，然后進(jìn)行比較。即按照式（1）只計(jì)算了1個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)系數(shù)。但是，經(jīng)過(guò)分析，由圖5和圖6所示振動(dòng)信號(hào)或者渦街信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)并不完全是單向衰減的，其原因是濾波后信號(hào)的失真以及自相關(guān)點(diǎn)數(shù)不夠多，因此原來(lái)軟件中只計(jì)算0.5 s延時(shí)處的一點(diǎn)的自相關(guān)系數(shù)，會(huì)造成結(jié)果的誤判。

3 方法的改進(jìn)

針對(duì)上述局限性，對(duì)基于單傳感器的抗強(qiáng)干擾系統(tǒng)軟件進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。由于MSP430F5418單片機(jī)的內(nèi)存為16 kB，為了能夠在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)抗強(qiáng)干擾算法，自相關(guān)計(jì)算點(diǎn)數(shù)的上限為2048個(gè)點(diǎn)。因此不再僅僅計(jì)算0.5 s延時(shí)處的自相關(guān)系數(shù)，而是將2048個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)系數(shù)都計(jì)算出來(lái)，然后在找出第一個(gè)最大衰減的點(diǎn)數(shù)，根據(jù)這一點(diǎn)與第1個(gè)峰值點(diǎn)的衰減比值來(lái)消除噪聲。

3.1 采用實(shí)數(shù)FFT實(shí)現(xiàn)自相關(guān)計(jì)算

基于MSP430單片機(jī)用實(shí)數(shù)FFT方法實(shí)現(xiàn)自相關(guān)計(jì)算；自相關(guān)函數(shù)的無(wú)偏估計(jì)公式如式（1）所示，如果計(jì)算過(guò)程中R和r均較大，則計(jì)算過(guò)程非常繁瑣，占用時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難在單片機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用。自相關(guān)算法還有另一種估計(jì)方法即有偏估計(jì)方法：

式中~Rxx的點(diǎn)數(shù)為2R－1，對(duì)于規(guī)定的R值，當(dāng)r遠(yuǎn)小于R時(shí)，~Rxx估計(jì)值才越接近真值。對(duì)~Rxx求傅里葉變換，則有

式中ω為圓周頻率。

又由于2個(gè)R點(diǎn)的序列進(jìn)行線(xiàn)性卷積，將得到一個(gè)長(zhǎng)為2R－1點(diǎn)的序列，如果用DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性卷積，則需要將序列補(bǔ)零延長(zhǎng)至2R－1點(diǎn)，從而得到序列x2R（n）。由于x2R（n）的后R－1點(diǎn)均為0，因此，式（3）可以進(jìn)行如下變換：

設(shè)m＝r＋n，且0≤m≤2R－1，則式（4）右邊可以寫(xiě)成如下所示：

式中X2R（ejω）為序列x2R（n）的傅里葉變換。

由式（3）和式（5）可知：

式（6）說(shuō)明，序列的有偏自相關(guān)估計(jì)和該序列的功率譜是一對(duì)傅里葉變換。而傅里葉變換可以通過(guò)FFT實(shí)現(xiàn)，因此，在單片機(jī)中通過(guò)FFT計(jì)算實(shí)現(xiàn)2048個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)計(jì)算。

在以基于MSP430F5418單片機(jī)為核心的硬件系統(tǒng)上完成軟件研制，因此算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)需要合理分配單片機(jī)資源。單片機(jī)內(nèi)存為16kB，采樣數(shù)組為2400個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為整型，占用2 B，保存數(shù)組需要約4kB的內(nèi)存，因此自相關(guān)計(jì)算最多只能選擇2048個(gè)點(diǎn)。為了能通過(guò)FFT實(shí)現(xiàn)，首先需要將數(shù)據(jù)補(bǔ)零至4096個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為整型，需要占用內(nèi)存空間8 kB。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程中利用實(shí)數(shù)FFT來(lái)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，而實(shí)數(shù)FFT是將序列按照奇偶分別存放于奇數(shù)序列和偶數(shù)序列。設(shè)存放原來(lái)序列的數(shù)組為x（n），長(zhǎng)度為2N，奇數(shù)項(xiàng)h（r）＝x（2r＋1），其中r＝0，1，…，N－1，奇數(shù)項(xiàng)作為FFT計(jì)算的虛部；偶數(shù)項(xiàng)g（r）＝x（2r），其中r＝0，1，…，N，偶數(shù)項(xiàng)作為FFT計(jì)算的實(shí)部。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的2048個(gè)點(diǎn)存放于x（n）中，該序列長(zhǎng)度為2048點(diǎn)，然后通過(guò)補(bǔ)零的方法將序列x（n）補(bǔ)到4096個(gè)點(diǎn)，為了節(jié)省單片機(jī)內(nèi)存，補(bǔ)出的0不是直接放于x（n）中，而是按照奇偶項(xiàng)直接分配到h（r）＝x（2r＋1）和g（r）＝x（2r）中，h（r）為2048點(diǎn)，后1024個(gè)點(diǎn)為0，同理g（r）也為2048個(gè)點(diǎn)，后1024個(gè)點(diǎn)也為0。

（2）h（r）和g（r）序列就緒后，進(jìn)行實(shí)數(shù)FFT計(jì)算，由于h（r）和g（r）的總點(diǎn)數(shù)為4096個(gè)點(diǎn)，因此完成的實(shí)際是4096個(gè)點(diǎn)的FFT計(jì)算，設(shè)得到的傅里葉變換序列為X（k），因?yàn)閄（k）是關(guān)于中心共軛對(duì)稱(chēng)的，因此只保存前2048個(gè)點(diǎn)的實(shí)部和虛部，后半部分根據(jù)其共軛對(duì)稱(chēng)的關(guān)系求出，其中序列h（r）和g（r）中分別存放著前2048個(gè)點(diǎn)的虛部和實(shí)部。同時(shí)求出X（k）的共軛序列X*（k）。

（3）根據(jù)第（2）歩計(jì)算X（k）和X*（k）的乘積，他們?yōu)楣曹椥蛄?，因此乘積為實(shí)數(shù)，又因?yàn)閄（k）后2048個(gè)點(diǎn)與前2048個(gè)點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)共軛的關(guān)系，因此在這個(gè)過(guò)程中可以計(jì)算出4096個(gè)點(diǎn)的乘積值，按順序存放于h（r）和g（r）序列中。

（4）對(duì)式（3）中求得的乘積進(jìn)行IFFT計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中N＝2 048為自相關(guān)實(shí)際點(diǎn)數(shù)。其中利用FFT的子程序完成IFFT的計(jì)算。

3.2 優(yōu)化自相關(guān)衰減系數(shù)計(jì)算方法

為了滿(mǎn)足渦街流量計(jì)的低功耗要求，選擇MSP430單片機(jī)作為處理器。但是，目前430系列單片機(jī)最大內(nèi)存僅為18 kB，仍然不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)的數(shù)字濾波器和多點(diǎn)數(shù)的自相關(guān)計(jì)算，因此根據(jù)圖（5）和圖（6）的特性，在自相關(guān)衰減計(jì)算中做了相應(yīng)的調(diào)整，以保證算法的有效性。雖然少點(diǎn)數(shù)的自相關(guān)特性有些變化，但是渦街信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然比振動(dòng)信號(hào)衰減得更明顯，由于濾波造成的失真，使得渦街信號(hào)自相關(guān)函數(shù)會(huì)先出現(xiàn)快速衰減的趨勢(shì)，然后又再上升；而振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在越接近N的位置也會(huì)衰減比較快。因此不再選擇0.5 s的位置來(lái)比較二者的衰減系數(shù)。對(duì)于渦街信號(hào)，通過(guò)逐點(diǎn)尋找，找出第一個(gè)衰減最大的正弦峰值點(diǎn)；對(duì)于振動(dòng)信號(hào)仍采用此方法，如果自相關(guān)函數(shù)的衰減趨勢(shì)為單向的，則仍選擇1024個(gè)點(diǎn)附近的正弦峰值點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司和合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)平臺(tái)上做了抗強(qiáng)振動(dòng)干擾的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證在存在強(qiáng)振動(dòng)干擾的情況下改進(jìn)方法和系統(tǒng)的有效性。通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)模擬氣體流量，由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬強(qiáng)振動(dòng)干擾，并施加于渦街流量計(jì)上。分別選擇膜盒式和懸臂梁式渦街傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，針對(duì)DN50口徑膜盒式渦街傳感器進(jìn)行抗強(qiáng)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證抗強(qiáng)干擾算法的有效性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使振動(dòng)信號(hào)的功率大于渦街信號(hào)的功率。以振動(dòng)信號(hào)頻率為110 Hz，渦街信號(hào)為100 Hz時(shí)的功率譜圖為例，從圖7中可以看出振動(dòng)信號(hào)的功率比渦街信號(hào)的大。該圖是用數(shù)字存儲(chǔ)示波器采集渦街流量傳感器輸出信號(hào)，用Matlab分析的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇了3個(gè)不同的流量點(diǎn)，分別大約為101 Hz，130 Hz以及148 Hz，在這3個(gè)流量點(diǎn)下，通過(guò)改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率以及振動(dòng)加速度來(lái)進(jìn)行考核。當(dāng)振動(dòng)頻率較低時(shí)，其振感很強(qiáng)，儀表液晶在振動(dòng)的作用下其讀數(shù)有些模糊。用基于MSP430F5418單片機(jī)的抗強(qiáng)振動(dòng)型渦街流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量和處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變振動(dòng)頻率和加速度，儀表均能顯示正確的渦街頻率，如表1所示。

圖7 膜盒式渦街傳感器輸出信號(hào)功率譜

在合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室搭建的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用DN50口徑懸臂梁式渦街傳感器進(jìn)行抗強(qiáng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)加速度為0.8g及以上時(shí)，其振動(dòng)強(qiáng)度能夠?qū)⒎庞谡駝?dòng)臺(tái)表面的小工件慢慢振落下去。同樣地，選擇3個(gè)流量點(diǎn)分別大約為101 Hz、88 Hz和121 Hz，圖8所示為用數(shù)字存儲(chǔ)示波器采集渦街流量傳感器輸出信號(hào)，用Matlab分析的結(jié)果。用基于MSP430F5418單片機(jī)的抗強(qiáng)振動(dòng)型渦街流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量和處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)，儀表在不同頻率振動(dòng)的影響下，均能正確顯示渦街信號(hào)頻率。

表1 DN50膜盒式渦街傳感器抗強(qiáng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 懸臂梁式渦街傳感器輸出信號(hào)功率譜

表2 DN50懸臂梁式渦街傳感器抗強(qiáng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字濾波和自相關(guān)算法在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在的局限性進(jìn)行分析，通過(guò)示波器采樣數(shù)據(jù)在Matlab中的分析結(jié)果與單片機(jī)計(jì)算過(guò)程中得到的結(jié)果進(jìn)行比較，分析得出：由于單片機(jī)內(nèi)存較小，只能做2048點(diǎn)的濾波計(jì)算，因此濾波結(jié)果存在失真；單片機(jī)資源有限，選擇了2048點(diǎn)自相關(guān)計(jì)算，無(wú)法達(dá)到Matlab的仿真效果。以現(xiàn)有單片機(jī)資源為考慮因素，進(jìn)行了2方面的改進(jìn)：一方面利用實(shí)數(shù)FFT實(shí)現(xiàn)自相關(guān)計(jì)算，將2048點(diǎn)的自相關(guān)計(jì)算快速計(jì)算出，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。另一方面改進(jìn)了自相關(guān)衰減系數(shù)計(jì)算方法，從而保證算法計(jì)算的準(zhǔn)確性。

致謝：感謝重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司提供實(shí)驗(yàn)條件和渦街流量計(jì)一次儀表。

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Im provements of Anti-strong-vibration Method Combing Digital Filter w ith Auto-correlation for Vortex Flowmeter

XU Ke-jun1，2， WANG Qin1， FANG Min1SHAO Chun-li1
（1.School of Electrical and Automation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui230009，China；
2.Engineering Technology Research Center of Industrial Automation，Anhui Province，Hefei，Anhui230009，China）

Vortex flowmeter is susceptible to the interference of pipe vibration，which affects on the measurement accuracy greatly.Adopting normal digital signal processingmethods cannotobtain the accurate vortex frequencieswhen the power of vibration noise is larger than that of the vortex signal.Therefore a digital signal processing technique combining digital filter with autocorrelation was proposed to apply the signal processing of vortex flow sensor for extracting the flow rate information from the signal containing strong vibration interference.Aiming at the implementing problems of thismethod in practice application，the existing system software is improved.The autocorrelation function is calculated by using real number FFT algorithm with assemble language based on MSP430F5418 MCU in order to speed up computation.

Metrology；Vortex flowmeter；Digital filter；Autocorrelation；Strong vibration interference；FFT；MCU

TB937

A

1000-1158（2014）05-0449-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．09

2012-08-10；

2013-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金（61074164）

徐科軍（1956－），男，江蘇無(wú)錫人，合肥工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要從事傳感器技術(shù)、自動(dòng)化儀表和數(shù)字信號(hào)處理研究。dsplab＠hfut.edu.cn