基于频率特征的涡街流量传感器抗强振动干扰方法研究与实现

针对目前没有解决的涡街流量传感器抗强振动干扰以及实时低功耗实现这两个技术难题，依据涡街流量传感器的工作原理和实验研究结果，采用调频信号模型来描述涡街流量信号；基于大量的实验数据，采用数值分析方法，确定数学模型中幅值随机变化的统计规律，较准确地描述涡街信号自然衰减现象；采用频谱分析方法，确定频率特征，以区别流量信号与干扰噪声，为信号处理和噪声识别提供理论依据。研究膜盒封装的单压电传感器，减少振动噪声对传感器的影响；设计双压电式传感器结构，同时检测流量和振动信息。针对单传感器，提出基于频率特征的抗强振动干扰算法；针对双传感器，提出频域相减与计算频率方差相结合的抗强振动干扰算法；并用超低功耗单片机实时实现，做到低功耗、两线制工作。进行通常的水流量和气体流量标定实验，检验流量传感器和系统的测量精度；设计强振动实验方案和测试方法，检验抗强振动干扰算法和实时低功耗处理系统的有效性。

涡街流量传感器广泛地应用于流程工业的流量测量。但是，立项时国内外没有解决涡街流量传感器易受强振动干扰这个技术难题。而在工业现场，管道振动是经常发生、不可避免的。为了克服涡街流量计易受管道振动干扰这一关键难题，本项目研究并实现了基于频率特性的抗强振动干扰方法，研制了满足流程工业低功耗要求的信号处理系统，取得了很好的实验效果和应用成果，完成了项目的研究计划。 . 研究和测试了膜盒式传感器的测量原理和性能。建立了涡街流量传感器输出信号模型，揭示了涡街流量信号和机械振动噪声的频率特征，为信号处理方法的提出奠定了基础。设计了双传感器结构，提出了频域相减结合频率方差的算法，实现并验证了基于双传感器的抗强振动干扰涡街流量计数字信号处理系统；提出数字滤波结合自相关的算法，实现并验证了基于单传感器的抗强振动干扰涡街流量计数字信号处理系统，避免了振动传感器在设计和安装上的较高要求，同时节约了成本；在分析流量信号和振动噪声的频率波动的基础上，提出了基于频率方差的涡街流量传感器抗强振动干扰方法，完善了抗强振动干扰的信号处理系统。研究了一系列有效的处理措施，采用超低功耗单片机实时、准确地实现了上述算法，并满足低功耗、两线制工业仪表的要求，同时充分保证了测量精度。液体测量精度为0.5级，气体测量精度为1.0级；当振动噪声功率大于涡街流量信号功率时仍能正确显示流量,这项指标处于国际领先水平。 .　　研究的抗强振动干扰算法和低功耗的实时信号处理系统，已分别被应用于重庆耐德工业股份有限公司和重庆川仪自动化股份有限公司的涡街流量计产品，并产业化，取得了较好的社会和经济效益。与重庆耐德工业股份有限公司合作获得2012年重庆市科技进步三等奖；重庆川仪自动化股份有限公司从2011年至2013年生产的涡街流量计，累计销售额为1716.3万元，已被化工、电力、冶金和市政环保等行业的上百家企事业单位采用。