CN201688869U - 基于自适应fft功率谱分析的双钝体涡街流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计。在管道内装有截面为非流线型的两个钝体，在后钝体的两侧对称位置处装有两个传感器，两传感器分别通过线路与二次仪表连接。由流体在前钝体下游产生的周期性交错脱落的卡门涡街，在流经后钝体后被二次激发得到更加稳定、振动更强的二次卡门涡街，以降低流量计的计量下限。两传感器测到的振动信号经过自适应FFT功率谱分析信号处理模块处理后，提供给二次仪表去除噪声后的有效振动脉冲信号，避免了传统模拟信号处理存在的丢步与误触发现象，并实现自适应的方式寻找采样频率，提高了低频时的频率分辨率，改善流量计测量精度并降低计量下限。

Description

基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计 

技术领域

本实用新型涉及一种测量流体流量的装置，尤其是涉及一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计。 

背景技术

流体流经非流线型钝体时，在钝体的下游会形成卡门涡街，伴随旋涡的交替脱落，在钝体的下游会引发流体的振动，在一定范围内，流体振动的频率与流体的流速成正比。利用这一原理研制的涡街流量计在国内外已经得到较广泛的应用。 

现有涡街流量计的主要特征是在流道内安装一个横截面为非流线型的钝体，在钝体内或者其下游安装检测元件，利用二次仪表对传感器检测到旋涡脱落或流体的振动信号进行处理，并按仪表系数折算成流体的流量。现有的涡街流量计存在两大问题：1、可测量的流量下限较高。旋涡脱落的频率与斯特罗哈数(Strouhal Number)有关，关系如下：f＝(v/d)St(f为稳定的旋涡脱落的频率，St为斯特罗哈数，v为被测流体的流速，d为钝体的柱宽)，研究表明斯特罗哈数在一定流量范围内是雷诺数的函数，此时被测流体的流速与旋涡脱落的频率满足正比关系，但雷诺数较小时，流体振动非常微弱，信噪比不能满足检测要求，因此现有涡街流量计的计量下限一般取在雷诺数Re＝2000左右，极大地限制了流量计的计量范围。2、抗干扰性能差，尤其在流量小振动频率低时，噪声导致一次传感器输出信号信噪比欠佳，难以检测有效振动信号，影响计量性能。涡街流量计是利用流体自身振动实现流体的测量，而待测系统中存在的压力脉动或外界的振动源和噪声源也会引起待测系统中流体的振动，这些外来的振动信号，或改变旋涡振动频率，或直接进入二次仪表，造成计量误差。然而传统的模拟信号处理一般由硬件电路来实现，即流量传感器测得的信号经过电路的放大、滤波、限幅、整形后，将脉冲信号送入微处理器进行计数，从而获得被测介质的瞬时和累计流量。用硬件电路计算频率，实时性好，但是对外界振动干扰敏感，机械振动和流场干扰使信号幅值变化很大，可能导致误触发或丢步现象，造成测量误差，而在流量小的低频段，这一问题尤为突出。因此，人们一般通过规定下限截止频率，限制量程比来解决此问题，但这样就提高了流量计计量的下限，导致量程比较小。近些年来，人们开始尝试用数字信号处理代替硬件 电路来解决上述问题。数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰性强、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。目前，用于流体振动式流量计的数字信号处理方法主要有互相关法、谱分析法、小波变换法等。其中应用的较多的是谱分析的方法，它能够从含有噪声的信号中提取有效振动信号的主频率。然而，现有FFT功率谱分析方法中都采用单一的采样频率，由于信号频率未知，采样频率一般根据香农定理，设定为2倍最大流量对应信号频率值。同时，为满足流量计电池供电的要求，又需采用低功耗单片机进行FFT功率谱分析，而非功耗较大的DSP，单片机有限的存储空间限制了采样点数。因此，现有数字信号处理方法虽有效解决了抗噪问题，改善了流量计重复性，但受单片机有限的存储空间限制，低流速时较大的采样频率、较低的采样点数将使频率分辨率无法达到要求，从而引起测量误差，导致流量计小流量测量性能仍不令人满意。 

发明内容

本实用新型的目的是提供测量流量下限较低的，抗干扰性能高的一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

本实用新型它包括管道、前钝体、后钝体、两个传感器和流量计二次仪表，在管道内装有截面为非流线型的前钝体和后钝体，在后钝体两侧对称位置处分别装有第一传感器和第二传感器。两个传感器通过线路分别将信号送入自适应FFT功率谱分析信号处理模块进行处理，再将去除噪声后的有效振动脉冲信号接到流量计二次仪表。 

所述的前钝体和后钝体端面之间相距为0.6DN～1.5DN，其中DN为管道的直径，两个钝体其横截面形状为 

形、 

形、 

形或 

形。 

所述的两个传感器为压电式传感器或电容式传感器。 

所述的由两个传感器组成的一次传感器输出信号S1分为两路，一路信号依次经自适应FFT功率谱分析信号处理模块中的前置放大电路、滤波电路、限幅电路、整形电路完成模拟信号处理，另一路一次传感器输出信号S1直接与自适应FFT功率谱分析信号处理模块中的单片机连接，输出的有效振动脉冲信号S3与用于流量计算的二次仪表连接。 

本实用新型具有的有益效果是： 

1、利用优化的双钝体组合结构引发旋涡的重叠现象，能够获得更加稳定、振动更强的流体振动信号，在雷诺数相同的情况下，与振动频率成线性对应关 系的流速测量下限下降了2～4倍，按此原理设计的基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计的测量范围可比现有涡街流量计明显的扩大。 

2、传感器测量到的信号经过自适应FFT功率谱分析信号处理模块处理后，得到有效振动脉冲信号，避免了硬件电路模拟信号处理存在的丢步与误触发现象，并克服了传统单一采样频率FFT功率谱分析方法不能同时适用于高低频计量的弊端，以自适应的方式寻找合理的采样频率，提高了低频时的频率分辨率，可有效改善流量计测量精度并降低计量下限。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是本实用新型的结构框图。 

图2是图1中自适应FFT功率谱分析信号处理模块结构及信号流程图。 

图3是本实用新型的各种钝体横截面图。 

图中：1.管道，2.前钝体，3.后钝体，4.传感器，5.传感器，6.输出线路，7.自适应FFT功率谱分析信号处理模块，8.流量计二次仪表，7.1.前置放大电路，7.2.滤波电路，7.3.限幅电路，7.4.整形电路，7.5.单片机，S1.一次传感器输出信号，S2.模拟信号处理后信号，S3.有效振动脉冲信号。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

如图1所示，本实用新型包括管道1、前钝体2、后钝体3、两个传感器4，5和流量计二次仪表8，在管道1内装有截面为非流线型的前钝体2和后钝体3，在后钝体3两侧对称位置处分别装有第一传感器4和第二传感器5。两个传感器通过线路6分别将信号送入自适应FFT功率谱分析信号处理模块7进行处理，再将去除噪声后的有效振动脉冲信号接到流量计二次仪表8。 

如图2所示，信号处理模块7介于流量计一次传感器1与流量计二次仪表8之间，以带有噪声的一次传感器输出信号S1为输入，输出去噪后的有效振动脉冲S3，提供给流量计二次仪表3用于流量计算。信号处理模块2内部采用模拟信号处理与数字信号处理相结合的方式。一次传感器输出信号S1分两路进入信号处理模块2，其中一路经过由前置放大电路7.1、滤波电路7.2、限幅电路7.3及整形电路7.4组成的硬件电路进行模拟处理，最后模拟信号处理后信号S2进入单片机7.5。单片机7.5内部存有数字信号处理程序，并已将信号频率划分为几个频段，给出了每个频段信号合适的采样频率值。单片机7.5根据模拟信号处理后信号S2预判信号频率范围，并根据所处频段选定合适的采样频率值。同时，另一路一 次传感器输出信号S1被直接引到单片机7.5的A/D输入端口，单片机7.5以选定的采样频率对一次传感器输出信号S1进行采样，并以FFT功率谱分析方式实现数字信号处理，获得准确的有效振动信号频率。最终，单片机7.5输出有效振动脉冲S3给流量计二次仪表8，用于计算流量。 

如图1、图3所示，所述的前钝体2和后钝体3端面之间相距为0.6DN～1.5DN，其中DN为管道1的直径，两个非流线型钝体的横截面形状为 

形、 形、 

形或 

形。前钝体2和后钝体3端面之间的最佳距离是通过改变前钝体2和后钝体3端面间距实验验证所得结果。 

所述的两个传感器均为压电薄膜传感器。 

本实用新型的工作原理如下： 

在管道内装有横截面为非流线型的两个钝体，在后钝体的两侧对称位置处装有两个传感器，两传感器分别通过线路与二次仪表连接。由流体在前钝体下游产生的周期性交错脱落的卡门涡街，在后钝体作用下被二次激发得到更加稳定、振动更强的二次卡门涡街，以降低流量计的计量下限。两传感器测到的振动信号经过自适应FFT功率谱分析信号处理模块处理后，提供给二次仪表去除噪声后的有效振动脉冲信号，避免了传统模拟信号处理存在的丢步与误触发现象，并实现自适应的方式寻找采样频率，提高了低频时的频率分辨率，改善流量计测量精度并降低计量下限。 

Claims (4)

1.一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计，包括管道(1)、前钝体(2)、后钝体(3)、两个传感器(4，5)和流量计二次仪表(8)，在管道(1)内装有截面为非流线型的前钝体(2)和后钝体(3)，在后钝体(3)两侧对称位置处分别装有第一传感器(4)和第二传感器(5)，其特征在于：两个传感器通过线路(6)分别将信号送入自适应FFT功率谱分析信号处理模块(7)进行处理，再将去除噪声后的有效振动脉冲信号接到流量计二次仪表(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计，其特征在于：前钝体(2)和后钝体(3)端面之间相距为0.6DN～1.5DN，其中DN为管道(1)的直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计，其特征在于：所述的两个传感器(4，5)为压电式传感器或电容式传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应FFT功率谱分析的双钝体涡街流量计，其特征在于：所述的由两个传感器(4，5)组成的一次传感器输出信号S1分为两路，一路信号依次经自适应FFT功率谱分析信号处理模块(7)中的前置放大电路(7.1)、滤波电路(7.2)、限幅电路(7.3)、整形电路(7.4)完成模拟信号处理，另一路一次传感器输出信号S 1直接与自适应FFT功率谱分析信号处理模块(7)中的单片机(7.5)连接，输出的有效振动脉冲信号S3与用于流量计算的二次仪表(8)连接。 

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