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渦街流量計(jì)加權(quán)平均的頻率校正方法 |
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| 發(fā)布日期：2021-01-11 點(diǎn)擊：1836次 |
為解決渦街流量計(jì)容易受到管道強(qiáng)周期振動干擾這個國際難題，根據(jù)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(shù)字信號處理方法，通過設(shè)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(jìn)行了驗(yàn)證。該方法只用了一個常規(guī)的渦街流量傳感器，對渦街流量傳感器的設(shè)計(jì)和安裝沒有過多要求，相對而言更易于實(shí)現(xiàn)和推廣，且節(jié)省成本。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，若頻率估計(jì)出現(xiàn)較大誤差，將不能真實(shí)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(guī)律，最終影響基于頻率方差的數(shù)字信號處理方法的可靠性。因此，提高頻率估計(jì)精 度對于保障渦街流量計(jì)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(yīng)用。但是，過程工業(yè)對渦街流量計(jì)有低功耗、兩線制和實(shí)時性方面的要求。為了實(shí)現(xiàn)兩線制，渦街流量計(jì)的系功耗必須小于4ｍＡ，這就要求用低功耗單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)算法，而單片機(jī)的運(yùn)算速度和資源都有限。為了實(shí)時測量，一般要求渦街流量計(jì)在2S內(nèi)刷新測量結(jié)果，這就要求單片機(jī)的采樣時間和運(yùn)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(yùn)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(jì)這類過程儀表，采用運(yùn)算量少、占用存儲空間少、抗干擾能力強(qiáng)的頻譜校正方法去提高頻譜分析的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要的實(shí)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(nèi)外學(xué)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?cái)嗟哪?/span>量重心校正法（簡稱為HWEC），出現(xiàn)校正方向誤判的可能性很小，是一種穩(wěn)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?cái)�，增加了運(yùn)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(qiáng)的抗噪能力。但是，其運(yùn)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(shù)之比的校正方法（簡稱為RWFCR），并證明了采樣傅里葉系數(shù)之比的方法來判斷校正方向的可靠性。該方法計(jì)算簡便，抗干擾能力較強(qiáng)，但是這兩篇參考文獻(xiàn)中都缺乏實(shí)際應(yīng)用。
為此，本章采用矩形窗截?cái)嗖蓸訑?shù)據(jù)，基于傅里葉系數(shù)之比，提出一種雙向校正結(jié)合加權(quán)平均的頻率加權(quán)修正方法(RWBWFCR)來提高正弦信號的頻率估計(jì)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(diǎn)數(shù)和不同信噪比對該頻率校正方法的影響；推導(dǎo)并驗(yàn)證了含平穩(wěn)高斯白噪聲時該頻率估計(jì)方法的理論精度。該方法運(yùn)算量少、占用存儲空間小、校正精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于用MCU實(shí)時實(shí)現(xiàn)。并將該方法應(yīng)用到低功耗抗強(qiáng)周期振動型單傳感器渦街流量計(jì)中去提高基于頻率方差的數(shù)字信號處理方法的可靠性。本章的研究思路和主要研宄內(nèi)容如圖所示
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