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渦街流量計加權平均的頻率校正方法 |
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| 發布日期：2021-01-11 點擊：1805次 |
為解決渦街流量計容易受到管道強周期振動干擾這個國際難題，根據渦街流量信號的頻率波動大于周期振動干擾這一特性差異，提出了基于頻率方差的數字信號處理方法，通過設置方差閾值來分辨渦街流量信號和周期振動干擾。其頻率波動特性差異已通過第二章的模型分析進行了驗證。該方法只用了一個常規的渦街流量傳感器，對渦街流量傳感器的設計和安裝沒有過多要求，相對而言更易于實現和推廣，且節省成本。但是，在實際應用中，若頻率估計出現較大誤差，將不能真實地反映渦街流量信號、周期振動干擾和同頻信號的頻率波動規律，最終影響基于頻率方差的數字信號處理方法的可靠性。因此，提高頻率估計精 度對于保障渦街流量計的抗振性能具有重要意義。
渦街流量傳感器輸出的正弦信號中常疊加有噪聲干擾，為了從含噪信號中提取出渦街頻率，基于FFT的頻譜分析方法成為處理渦街流量傳感器輸出信號的有力工具，并得到較為廣泛的應用。但是，過程工業對渦街流量計有低功耗、兩線制和實時性方面的要求。為了實現兩線制，渦街流量計的系功耗必須小于4ｍＡ，這就要求用低功耗單片機來實現算法，而單片機的運算速度和資源都有限。為了實時測量，一般要求渦街流量計在2S內刷新測量結果，這就要求單片機的采樣時間和運算時間都不能太長。若采樣時間短，頻譜分析的分辨率將變差，測量精度就可能變差。若運算周期不能過長，就只能選擇相對簡潔的算法。因此，對于渦街流量計這類過程儀表，采用運算量少、占用存儲空間少、抗干擾能力強的頻譜校正方法去提高頻譜分析的準確性和可靠性具有重要的實際意義。含噪信號頻率校正的精度將直接影響流量測量的精度，為了提高頻率校正方法的抗噪性能，國內外學者針對含噪信號的頻譜校正做了分析和研宄。綜合性能更佳的有下面3種方法。采用Hann窗截斷的能量重心校正法（簡稱為HWEC），出現校正方向誤判的可能性很小，是一種穩健的校正方法.但是，該方法的主瓣較寬，降低了相近頻率的分辨能力；采用Harm窗截斷，增加了運算量。綜合相位差校正法(簡稱為RWPD)在接近整周期采樣時具有較強的抗噪能力。但是，其運算量大，且在頻率偏差接近于0.5時，該方法的校正誤差變大。Quinn提出基于傅里葉系數之比的校正方法（簡稱為RWFCR），并證明了采樣傅里葉系數之比的方法來判斷校正方向的可靠性。該方法計算簡便，抗干擾能力較強，但是這兩篇參考文獻中都缺乏實際應用。
為此，本章采用矩形窗截斷采樣數據，基于傅里葉系數之比，提出一種雙向校正結合加權平均的頻率加權修正方法(RWBWFCR)來提高正弦信號的頻率估計精度。給出了該方法的校正原理；分析了不同初始相位、不同頻率偏移量、不同FFT點數和不同信噪比對該頻率校正方法的影響；推導并驗證了含平穩高斯白噪聲時該頻率估計方法的理論精度。該方法運算量少、占用存儲空間小、校正精度高、抗干擾能力強、便于用MCU實時實現。并將該方法應用到低功耗抗強周期振動型單傳感器渦街流量計中去提高基于頻率方差的數字信號處理方法的可靠性。本章的研究思路和主要研宄內容如圖所示
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