基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流体脉动干扰方法

　　1　引　　言

　　旋进旋涡流量计是一种新型的流体振动流量计。其主要特点是无活动部件,对测量介质的适应性广,线性测量范围宽,可应用于气体、液体和蒸汽的计量。但旋进旋涡的强度较弱,当待测系统附近有振动或噪声源,或流体内部波动或管壁振动时,其计量精度就会受到明显的影响[1～4]。对待测流体及其环境条件的苛刻要求,极大地限制了其工业应用。为此,人们从不同角度进行了研究,归纳起来,主要是从两条途径进行研究:

　　(1)针对流体振动型流量计目前采用的放大、滤波、整形和计数的方法,不能从含有管道的机械振动和流场的不稳定等噪声信号中准确提取频率信息,以至于流量计现场的测量精度达不到指标规定的要求。人们提出采用数字信号处理方法处理流量传感器的信号,其主要包括:基于FFT(快速傅立叶变换)的周期图法[5],自适应陷波滤波方法[6],互相关方法[7],数字跟踪滤波方法[8～11]和小波变换方法[12]。虽然上述方法对解决测量现场外界干扰引起的传感器输出信号中波形畸变而导致的传统二次仪表计数误差是有效的,但没有考虑到由于流体脉动干扰引起的主频移动现象的影响。

　　(2)针对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应脉动压力的相差现象,人们提出利用对称信号差分处理来解决旋进旋涡流量计抗干扰问题。1991年Hein Richs做了用集成差分传感器降低旋进旋涡流量计量程下限的实验研究[13];2000年傅新等人用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究,进而提出对称信号差分处理抗干扰的思路[14]。但简单的轴对称信号差分处理只能解决相位和幅值都相同的共模噪声对传感器输出信号波形的影响;并且由于其对安装工艺和传感器的极其严格的对称要求,使该方法在工业上的使用受到极大限制。

　　本文就流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响进行了实验研究。明确了流体脉动干扰压力与旋进旋涡效应的脉动压力的线性迭加关系以及流场脉动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现象;并且对旋进旋涡有效信号和脉动干扰信号进行相位分析,得出对称轴线旋进旋涡有效信号具有接近180°相位差,而流体脉动干扰信号接近0°相位差的结论。分析了现在采用的数字信号频率提取和对称差分信号处理的缺点,在此基础上提出基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法,并给出仿真结果。

　　2　旋进旋涡流量计的原理[1～4]

　　旋进旋涡流量计是通过测量流体的旋进旋涡效应脉动压力频率来得到流体体积的流量计。图1为旋进旋涡流量计的原理图。