涡街流量计信号的高阶统计量特征

　　涡街流量计是依据卡门涡街特性研制而成的一类新型流量检测仪表. 它的基本原理是: 在流体中垂直插入一根非流线型阻流体产生涡街分离, 当满足一定条件时涡街分离频率将与流速成正比, 此时应用热敏、电容、应变、超声等各种检测技术测量旋涡频率,实现流量测量[ 1] . 自20 世纪60 年代末问世以来, 经过30 多年的发展, 涡街流量计已在管道流量测量中得到广泛应用, 并已跻身通用流量计之列[ 2-3] .

　　从本质上讲涡街流量计属于流体振动型流量计, 因此在工业现场使用时, 管道及各种设备振动引起的干扰不可避免地会叠加到测量信号上, 从而使得其测量精度降低[ 4] . 针对这一问题, 近年来国内外研究者从信号处理的角度开展了大量研究: Amadi等对涡街原始信号进行了谱分析, 建立了仿真信号表达式[ 5] ; 徐科军等采用了多种谱分析方法处理涡街信号[ 6] ; Hondo h 利用信号频谱分析技术试图除去噪声提高测量精度[ 7] ; 徐科军、张涛等还采用小波变换的带通滤波特性对涡街传感器信号进行了滤波[ 8-10] . 以上这些研究为涡街频率信息的准确提取起到了重要的作用. 然而, 涡街流量计的实际测量信号的复杂性, 许多研究还有待深入. 一方面, 由于测量信号中的非涡街信号并非完全来自于外部, 其中有相当一部分是由于流体本身的湍动造成的, 由于流体湍动和涡街分离过程是紧密的耦合在一起的,并且随着被测流量的增大, 湍动对测量的影响也增加, 因此对于这一部分干扰的处理十分困难; 另一方面, 涡街流量计的基本测量关系式是在无限大均匀流场中推导处理的, 用于管流的测量时管道壁面的存在对测量信号也会造成较大的影响[ 11, 12] . 因此,深藏于涡街测量信号中的许多信息还有待人们去发掘和认识.

　　高阶谱分析方法是近年来信号处理领域中涌现出来的一种数学工具, 不同于传统的信号处理方法,它可进行非高斯信号处理. 高阶谱能提供比二阶谱更丰富的有用信息, 具有分辨率高、抗噪声能力强等显著优点, 因此对测量信号进行高阶谱分析, 能够提取出测量信号的非高斯特征, 获得了以往信号分析方法测量信号时未能提取出的大量有用信息[ 13-15] .

　　本文以通过管壁差压法[ 16] 获取的涡街流量计信号作为分析对象, 运用高阶统计量分析方法得到了信号的双谱, 提取了不同流量下信号的非高斯特征, 并以双谱幅值的最大值作为特征参数对不同流量下涡街信号偏离高斯分布的程度进行了定量估计, 在此基础上对管流涡街分离的规律做了深入的探讨.

　　1 高阶统计量方法

　　采用非参数化直接算法的双谱计算步骤如下[ 17] :