涡街流量计可以测量液体、气体和蒸汽的流量；输出与流体流速成正比的脉冲信号，不存在零漂；测量精度较高，量程范围较宽。《涡街流量计的数字信号处理技术》介绍涡街流量计的数字信号处理技术，包括基于频谱分析的信号处理方法和系统、基于陷波的抗固定强振动方法和系统、基于数字频谱与模拟带通滤波器组的低功耗系统、基于FFT的全数字式低功耗系统、针对耐高温传感器的调理电路和低功耗系统、针对低雷诺数流量的测量方法和低功耗系统、基于频率方差和频域相减的抗强振动方法与低功耗系统、基于频率方差的抗强振动方法和低功耗系统、基于频率方差和幅值计算的抗强振动方法与低功耗系统、基于卡尔曼滤波的抗强瞬态冲击方法和低功耗系统。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 流量测量的重要性 1
1.2 涡街流量计简介 1
1.2.1 涡街流量计的测量原理 2
1.2.2 应力式涡街流量计的结构组成 3
1.3 国内外研究现状 5
1.3.1 提高涡街流量计的测量准确度 5
1.3.2 实现低功耗 7
1.3.3 抗强管道振动干扰 8
参考文献 14
第2章 基于频谱分析的信号处理方法和系统 19
2.1 算法基本原理及其实现 19
2.1.1 信号数字滤波 19
2.1.2 信号频谱分析 20
2.1.3 涡街频率估计 21
2.1.4 算法仿真 22
2.2 基于DSP 的涡街流量计数字信号处理系统研制 22
2.2.1 系统硬件设计 23
2.2.2 系统软件设计 26
2.3 涡街流量计信号处理系统调试和标定 32
2.3.1 系统调试 32
2.3.2 温度实验 33
2.3.3 标定实验 34
参考文献 35
第3章 基于陷波的抗固定强振动方法和系统 37
3.1 抗固定强振动干扰算法 37
3.1.1 算法基本原理 37
3.1.2 陷阱深度和宽度可调的陷波器设计 38
3.1.3 频谱分析 50
3.1.4 算法具体实现 52
3.2 信号处理系统硬件 53
3.3 信号处理系统软件研制 54
3.3.1 DSP资源分配 54
3.3.2 软件总体框图 54
3.3.3 主监控程序 55
3.3.4 中断模块 56
3.4 系统测试和实验 56
3.4.1 常规气体流量实验 56
3.4.2 抗强振动干扰实验 57
参考文献 58
第4章 基于数字频谱与模拟带通滤波器组的低功耗系统 59
4.1 硬件设计 60
4.1.1 总体方案 60
4.1.2 压电传感器与电荷放大器 61
4.1.3 程控电压放大电路与峰值检测电路 65
4.1.4 低通滤波器 67
4.1.5 带通滤波器组 68
4.1.6 多路选通与整形电路 72
4.1.7 温压补偿模块 73
4.1.8 单片机电路 74
4.1.9 4～20mA电流输出与电源管理电路 76
4.1.10 人机接口 83
4.1.11 电源监测 84
4.2 软件研制 86
4.2.1 总体框图 86
4.2.2 主监控程序流程图 86
4.2.3 脉冲计数 88
4.2.4 频率估算 88
4.2.5 带通滤波器选择 89
4.3 测试与实验 89
4.3.1 电流输出和系统功耗测试 90
4.3.2 FFT计算精度测试 90
4.3.3 实际流量测试 90
4.4 电池供电系统 91
4.4.1 硬件设计 92
4.4.2 软件设计 96
4.4.3 测试与实验 98
参考文献 100
第5章 基于FFT的全数字式低功耗系统 102
5.1 系统硬件研制 102
5.1.1 系统框图 102
5.1.2 工作过程 103
5.2 系统软件研制 103
5.2.1 软件框图 103
5.2.2 主监控模块 104
5.2.3 计算模块 105
5.2.4 输出模块 113
5.3 标定结果 115
参考文献 116
第6章 针对耐高温传感器的调理电路和低功耗系统 117
6.1 用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路研制 118
6.1.1 耐高温涡街流量传感器的特点 118
6.1.2 基于双电荷放大器的信号调理电路设计 119
6.1.3 信号调理电路屏蔽 125
6.2 数字式两线制HART涡街流量变送器研制 129
6.2.1 变送器整体设计方案 130
6.2.2 两线制4～20mA电流输出及HART 通信模块 131
6.2.3 数字隔离电路 138
6.2.4 电源管理模块 139
6.2.5 EMC滤波与ESD 保护电路模块 142
6.2.6 温压补偿模块 143
6.2.7 数字信号处理模块 144
6.2.8 人机接口模块 146
6.3 系统测试 147
6.3.1 功耗测试 147
6.3.2 4～20mA电流输出精度测试 147
6.3.3 HART通信测试 148
6.3.4 水流量标定 150
参考文献 151
第7章 针对低雷诺数流量的测量方法和低功耗系统 153
7.1 基于互相关分析的流量测量方案 153
7.1.1 流量测量方案 153
7.1.2 互相关分析计算延迟时间的原理 154
7.2 一次仪表设计 156
7.3 互相关分析中有偏估计与无偏估计的比较 157
7.3.1 有偏估计和无偏估计的特点 157
7.3.2 有偏估计和无偏估计应用于两个同频率涡街流量信号 157
7.4 信号处理方法研究 160
7.4.1 基于互相关分析快速计算延迟时间方法 160
7.4.2 三次样条插值方法 163
7.5 二次仪表研制 164
7.5.1 硬件研制 164
7.5.2 软件研制 165
7.6 系统测试 167
7.6.1 功耗测试 167
7.6.2 实时性测试 167
7.6.3 水流量标定 168
参考文献 169
第8章 基于频率方差和频域相减的抗强振动方法与低功耗系统 170
8.1 涡街流量传感器输出信号模型建立 170
8.1.1 涡街流量信号模型 171
8.1.2 传感器振动噪声信号模型 180
8.1.3 机械振动噪声信号模型 180
8.1.4 涡街流量传感器输出信号模型 184
8.2 基于双传感器的抗强干扰信号处理算法研究 185
8.2.1 算法原理 185
8.2.2 算法流程 186
8.2.3 动态截止幅值 187
8.2.4 频域相减 188
8.2.5 频率方差计算 189
8.3 低功耗信号处理系统实现和实验 193
8.3.1 硬件研制 193
8.3.2 软件开发 193
8.3.3 实验测试 195
参考文献 197
第9章 基于频率方差的抗强振动方法和低功耗系统 199
9.1 涡街流量传感器输出信号的频率特征分析 199
9.1.1 强振动干扰实验 199
9.1.2 带宽分析 201
9.1.3 频率波动分析 205
9.2 抗强振动干扰算法研究 207
9.2.1 基本原理 207
9.2.2 分段动态截止幅值 208
9.2.3 频率方差算法 210
9.3 抗强振动干扰算法实现 215
9.3.1 硬件设计 215
9.3.2 软件设计 216
9.4 抗强振动气体流量实验验证 217
9.4.1 抗强振动气体流量实验平台 217
9.4.2 实验过程及验证结果 218
参考文献 221
第10章 基于频率方差和幅值计算的抗强振动方法与低功耗系统 222
10.1 涡街流量传感器输出信号分析 222
10.1.1 涡街流量计强管道振动干扰实验 222
10.1.2 涡街流量传感器输出信号的频率方差分析 227
10.1.3 涡街流量传感器输出信号的频谱幅值分析 230
10.2 抗管道振动干扰算法研究 236
10.2.1 算法原理 236
10.2.2 算法流程 237
10.2.3 频率方差计算 239
10.2.4 幅值运算 243
10.3 低功耗数字信号处理系统研制 250
10.3.1 硬件研制 250
10.3.2 软件研制 251
10.4 验证实验 253
10.4.1 气体标定实验 253
10.4.2 抗管道振动干扰实验 254
10.4.3 功耗测试实验 261
参考文献 261
第11章 基于卡尔曼滤波的抗强瞬态冲击方法和低功耗系统 262
11.1 瞬态冲击分析 262
11.2 传感器输出信号模型 263
11.2.1 瞬态冲击振动实验平台 264
11.2.2 瞬态冲击振动的时频分析 265
11.2.3 瞬态冲击振动的数学模型 266
11.2.4 数学模型的验证 269
11.3 基于卡尔曼滤波的抗强瞬态冲击方法 272
11.3.1 查找瞬态冲击数据段 273
11.3.2 卡尔曼滤波器参数配置 277
11.3.3 分段卡尔曼滤波方法 281
11.4 抗强瞬态冲击方法的低功耗实现 285
11.4.1 硬件系统 286
11.4.2 软件系统 286
11.5 抗强瞬态冲击方法的验证实验 288
11.5.1 空气流量验证实验 288
11.5.2 水流量验证实验 291
参考文献 292

第1章绪论
　　1.1流量测量的重要性
　　在石油、化工、电力、制药、食品、冶金、建材等工业生产过程中，人们主要通过测量流量、温度、压力和物位这四大过程控制参数来监视与控制生产过程。其中，流量是测量难度*大的参数，也是有待解决问题*多的一个参数。准确的流量测量对推动国民经济的发展具有重要意义。例如，在能源计量中，大量使用流量计。其中，很大一部分用于贸易结算，直接与企业的效益相关联；也有很大一部分用于过程控制，直接与产品的质量和设备的安全相关联。因此，要求流量计量具有较高的测量准确度、稳定性和可靠性[1]。
　　流量测量原理和仪表种类繁多，在工业应用中，一般分为差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计和质量流量计等。流量计的分类简图如图1.1.1所示。
　　图1.1.1流量计分类简图
　　在众多流量仪表中，涡街流量计具有以下优点：①结构简单牢固，无机械可动部件，安装方便，压力损失较小，测量精度较高，维护费用较低，使用寿命长；
　　②适用于多种介质，如液体、气体和蒸汽的测量[2，3]；③输出为脉冲信号，不受流体密度、组分、压力和温度的影响，便于处理。所以，涡街流量计已经成为一种通用的流量计，被广泛应用于流程工业的流量测量。
　　1.2涡街流量计简介
　　涡街流量计属于流体振动流量计，在特定的条件下，流体的振动频率与流速存在着特定的比例关系，因此直接测量流体的振动频率就可以获得流体的流速，进而推算出流体的体积流量。
　　1.2.1涡街流量计的测量原理
　　涡街流量计基于卡门涡街原理，如图1.2.1所示。在流体管道中垂直地插入一定形状的阻流体(又称旋涡发生体，简称发生体)，当管道雷诺数Re达到一定数值时，随着流体流过发生体，会在发生体两侧交替分离出规则的旋涡列。当两列旋涡间距h与两个旋涡间距l满足式(1.2.1)时，分离的旋涡列是稳定的[4]，达到稳定的旋涡列就称为卡门涡街。
　　(1.2.1)
　　图1.2.1卡门涡街形成示意图
　　对于卡门涡街，产生的旋涡频率f与发生体两侧的平均流速v1满足式(1.2.2)所示的关系，即
　　(1.2.2)
　　式中，Sr为施特鲁哈尔数；v1为发生体两侧的平均流速，m/s；d为发生体迎流面特征宽度，为旋涡频率，Hz。
　　假设测量管道内径为D(单位为m)，发生体两侧的弓形面积之和与管道的横截面积之比为m，则管道内流体的平均流速v(单位为m/s)与v1的关系可以表示为
　　(1.2.3)
　　将式(1.2.3)代入式(1.2.2)可得
　　(1.2.4)
　　假设测量管道内流体的瞬时体积流量为q(单位为m/s)，涡街流量计的仪表系数为K(单位为pulses/m3，或P/m3，表示脉冲v数/米3)，则
　　(1.2.5)
　　Sr是与发生体的形状、尺寸和Re有关的无因次数，Sr与Re的关系*线如图1.2.2所示。对于大多数涡街流量计，当管道Re在2104～.106范围时，Sr几.7乎不变，一般可视为常数，可以保证测量精度[5]。因此，由式(1.2.5)可以看出，仪表系数K与管道内径D、发生体的特征宽度d有关，与Sr一样，当Re在一定范围内时，仪表系数K可视为常数，在实际产品中可以通过标定实验求得[6]；由式(1.2.4)可以看出，涡街频率f只与管道内流体的平均流速v和发生体的特征宽度d有关。当发生体的形状和几何尺寸确定以后，涡街频率f与平均流速v成正比。
　　图1.2.2Sr与Re的关系*线
　　由卡门涡街原理可知，当管道雷诺数在一定范围内时，测量管道内流体的体积流量与涡街的频率成正比。此时，通过检测涡街的频率可以测量出流体的体积流量。
　　1.2.2应力式涡街流量计的结构组成
　　涡街流量计主要包含仪表表体、发生体、检测元件和信号转换器(又称变送器)四个组成部分。仪表表体的中心部分被加工成测量管道为流体提供流动通道；发生体安装在表体内用来产生卡门涡街；检测元件安装在表体上用来检测涡街流量信号；信号转换器用来接收检测元件的输出信号，并对输出信号进行处理，以获取体积流量。
　　根据不同的检测技术可以选择不同的检测元件，如热敏、超声、电容、应力、应变、光电等多种检测元件。目前常见的涡街流量计的分类方式如图1.2.3所示。
　　图1.2.3涡街流量计的分类简图
　　应力式涡街流量计采用压电检测技术来检测涡街流量信号。压电元件由于具有灵敏度高、响应快、信号强、价格低、工艺性好等优点而被广泛应用于当今大部分涡街流量计中。在应力式涡街流量计中，也有不同的检测方式，或者说不同的结构，如简支梁结构、悬臂梁结构、一体式结构、分离式结构、压力脉动检测型结构、检测元件移出型结构[5]。如图1.2.4所示的分离悬臂梁结构将压电检测元件*立地安装在发生体下游，采用检测振荡尾流中旋涡列的方式检测涡街流量信号。该检测方式的结构简单、容易实现，且检测元件和发生体是相互*立的，维护较方便，这是一种目前国内应用较多的信号检测方式。因此，本书选择如图1.2.4所示的应力式涡街流量计作为研究对象，其信号处理方法也适用于其他类型的应力式涡街流量计。
　　图1.2.4应力式涡街流量计的一种悬臂梁型结构简图
　　对于分离的悬臂梁型应力式涡街流量计，流体流过发生体时会分离出旋涡列，同时伴随产生交变升力。该交变升力以应力的形式作用于压电检测元件，压电传感器把检测到的交变应力转换成电信号输出，电信号的频率就是涡街的频率。输出信号被传输到信号转换器，通过信号处理的方法获取信号频率即涡街频率，然后根据涡街频率与体积流量的比例关系计算出流体的体积流量。
　　1.3国内外研究现状
　　涡街流量计可以测量液体、气体和蒸汽的流量，可以测量的介质多；输出为频率，便于处理，在流程工业中应用比较广泛。但是，它有两个关键问题没有得到很好的解决，影响了它的应用效果。一是由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而工业现场的振动是普遍存在的，通常为管道机械振动干扰和流场干扰。一次仪表大多采用压电式传感器，但其对管道振动、流体的冲击力以及随机脉动压力产生的噪声比较敏感，这使得现场测量误差远大于实验室标定误差。如果噪声的能量大于涡街流量信号的能量，那么噪声的频率会被当成涡街流量的频率输出。二是量程下限受限，不能测量小流量。通常现场的管道是一定的，并且工艺上对流体的压力有要求，不能缩小管道的口径，测量小流量是不可避免的。当时市面销售的涡街流量计采用放大、滤波、整形、计数的处理方式，不能有效地抑制噪声，所以测量准确度不高；为了抑制噪声所设的门槛电平会影响量程比，导致无法测量小流量；对于不同量程、不同的被测流体，常规的模拟信号处理系统需要更换不同的处理电路和参数。此外，涡街流量计被用于过程工业现场，而过程工业现场一般流量计必须两线制输出和低功耗运行。为此，国内外专家、学者和生产涡街流量计的公司，在信号处理的硬件电路和软件算法方面做了大量的研究工作，主要是为了提高涡街流量计的现场测量准确度；实现低功耗、两线制工作；在强干扰下仍然能测准涡街流量频率。
　　1.3.1提高涡街流量计的测量准确度
　　1992年，Amadi-Echendu等研究了工作环境噪声对旋涡脱落频率的影响，分别给出了离心泵、容积式泵和振动器工作时流量传感器的输出信号，采用基于FFT的谱分析来计算涡街流量信号频率，提高了流量计的测量精度[7，8]。但是，他们没有讨论非整周期采样对FFT计算精度的影响。
　　1997年，Menz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流量信号频率，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。将两种测量原理与两种测量方法的测量结果进行融合，可以得到新的流量值，提高流量测量的精度[9]。
　　2002年，Clarke提出了双数字锁相环(phase-locked loop，PLL)方法，并将其应用于涡街流量计信号处理，用来提高流量计的测量精度。他采用的PLL的主要特点是：一是采用基于Hilbert(希尔伯特)变换的鉴相器，二是使用频率外差法来提高锁相环的输入频率范围。双数字锁相环原理框图如图1.3.1所示。快速环带宽较宽，用来跟踪频率变化较快的流量信号；慢速环带宽较窄，用来跟踪频率变化较慢的流量信号，考虑到测量小流量时有用信号可能被噪声信号淹没，增加固定带宽的前置滤波器滤出噪声信号。选择机构用来决定是采用快速环还是慢速环的输出[10，11]。
　　图1.3.1双数字锁相环原理框图
　　Ghaoud等提出了一种稳态流量条件下涡街流量计的信号模型，同时采用改进的过零检测算法(zerocrossing algorithm，ZCA)来估计涡街流量信号频率[12]。改进的ZCA原理如图1.3.2所示。
　　图1.3.2改进的ZCA原理图
　　美国罗斯蒙特公司(Rosemount Inc.)研制了以数字跟踪滤波器为核心的涡街流量计数字信号处理系统，其中的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。处理器根据涡街流量信号的特点，选择合适的滤波器来处理信号[13]。
　　美国福克斯波罗(Foxboro)公司采用自适应滤波技术来提高流量测量的精度[14]，通过带通滤波器处理涡街流量传感器的信号。该带通滤波器的截止频率根据涡街流量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。在用自适应带通滤波器处理涡街流量信号时，必须先要知道当前涡街频率的具体范围，才能确定滤波器的参数，而涡街频率变化的范围较宽，当流量变化较大时，滤波器参数的配置需要较长时间或者配置不当，会造成测量误差。