FFT功率谱分析技术在旋进流量计中的应用

1 引 言

    旋进流量计是基于流体经过旋涡发生体时产生流体振动，而振动频率与流体的流速成正比。他们已有近 30 年的历史，主要包括精度高、线性度好，使用寿命长、线性范围宽，几乎不受湿度、压力密度变化影响等优点，得到广大用户的青睐，在气体、液体、蒸汽等领域具有广阔的应用前景。但其采用的测量原理决定了振动信号易受外界噪声的干扰，当流体不稳定时，流体压力的波动以及来自系统和环境的振动和噪声等将使流量计的信噪比明显降低，特别是在低流速等信噪比小的情况下，甚至使其丧失其正常计量功能^[1]。因此，如何对输出信号进行处理，从叠加了噪声的信号中提取有用的频率信号，成为了提高旋进流量计性能的重点。

2 旋进流量计存在的主要缺点

    流量下限偏高，在低流速下极易受到各种干扰，从而无法保证其计量精度，是旋进流量计的缺点。目前，流量传感器采用的一般为压电晶体，其输出的信号为毫伏级，且其信号一般由两部分组成：（1）由流速产生的正弦流体振动信号；（2）各种干扰引入的噪声信号.因此传感器输出的信号远非理想的正弦波，而是一个混有噪声的混合信号。当流量比较大时，流体振动信号较强，在同样强度的噪声干扰下，其信噪比高，干扰噪声的影响不显著，如图1所示，流量信号还是比较理想的正弦波，此时一般通过硬件电路整形滤波即可得到正常的流体振动频率信号。而当流量比较小时，流体振动信号较弱，信噪比小，干扰噪声的影响显著，流量信号的波形发生畸变，如图 2 所示，此时采用一般的硬件电路无法得到正常的流体振动频率信号。因此，低流速测量成为了限制旋进流量计应用的瓶颈。厂家一般通过规定下限截止频率、限制下限流量来解决此问题，但这样就牺牲了流量计的优点。其次，信号整形过程多采用阈值比较法，这也易引起漏计和多计现象现象，从而导致测量误差。目前，基于对称安装的双压电传感器构成的差动式结构使旋进流量计的抗干扰性能虽得到了很大提高^[1]，但还有提高的空间。

3旋进流量计信号处理方法

    一般信号处理方法可分为模拟信号处理和数字处理两种。

3.1 模拟信号处理方法

    模拟信号处理一般由硬件电路来实现。现在使用的旋进流量计，大多数产品虽采用了微处理器，但仅用于流量计算处理，而表征流速的频率仍用硬件电路实现，典型的电路和框图如图 3 所示，压电传感器输出信号经放大器N₁、N₂放大后再经 N3差动放大，可滤除部分共模成分，再经过 N₄和斯密特电路 D₁的放大、滤波、整形，得到与流速成正比的脉冲频率信号，送入微处理器进行计数并运算处理，从而获得被测流体的流量。用硬件电路实现频率检测实时性较好，反应快。