專利名稱：基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在渦街流量計(jì)中使用的渦街信號處理方法，尤其涉及一種基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法。
背景技術(shù)：
渦街流量計(jì)是上世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的一種流量計(jì)，它利用流體振動原理來進(jìn)行流量測量，具有儀表內(nèi)無機(jī)械可動部件、介質(zhì)適應(yīng)性寬、壓力損失小以及輸出頻率脈沖信號等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用于液體、氣體和蒸汽的測量。但是，由于流體模型本身的復(fù)雜性以及它易受管道振動等干擾而無法保證現(xiàn)場測量精度，測量小流量困難。由于渦街流量計(jì)工作原理的關(guān)系，它易受外界振動干擾，而且當(dāng)流量小時(shí)，渦街傳感器的輸出信號比較微弱，易被噪聲淹沒，使得小流量信號失真，量程下限受限。在渦街信號處理方面， 利用現(xiàn)代信號處理方法對渦街流量計(jì)信號進(jìn)行處理，從含有噪聲的信號中準(zhǔn)確提取渦街頻率，以提高測量精度，是當(dāng)前渦街流量計(jì)的研究熱點(diǎn)之一。采用的方法大多利用信號與噪聲特性上的差異，通過數(shù)學(xué)變換方法來削弱噪聲，提取有用信號，不存在噪聲與信號能量轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制，因而難以放大強(qiáng)噪聲中的弱信號。其次，渦街流量計(jì)的輸出信號由兩部分組成一是由管道中流體流過渦街發(fā)生體產(chǎn)生的正弦渦街信號；二是由各種干擾引起的噪聲信號，如管道振動，湍流脈動，及工業(yè)現(xiàn)場其他設(shè)備的干擾等。所有這些噪聲都會引起現(xiàn)場測量信號信噪比降低，當(dāng)干擾嚴(yán)重或在小流量測量時(shí)，甚至無法正確測得渦街頻率，影響了渦街流量計(jì)的正常使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，具體步驟如下
(1)利用信號采集系統(tǒng)采集渦街信號；
(2)將渦街信號經(jīng)變尺度方法變換為小頻率信號；
(3)將變尺度后的渦街信號作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作的功隨參考信號頻率變化的曲線圖，捕捉特征頻率，按頻率壓縮尺度比恢復(fù)實(shí)測渦街信號的采集尺度。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法為提高渦街流量計(jì)現(xiàn)場適應(yīng)性及弱渦街流量信號頻率檢測提供了一種新的方法。與傳統(tǒng)的基于隨機(jī)共振的檢測方法相比，本發(fā)明不僅考慮了雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號幅值的影響，同時(shí)也考慮了雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號相位的影響，因此更具有完整性。同時(shí)，該方法也適用于其它領(lǐng)域涉及強(qiáng)噪聲中的微弱信號檢測，可拓寬隨機(jī)共振的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為水管路信號采集裝置的實(shí)驗(yàn)框圖； 圖2為隨機(jī)能量共振的頻率檢測原理框圖3為采集流量為13. 2 m3/h時(shí)，渦街信號的時(shí)頻圖4為采集流量為13. 2 m3/h時(shí)，渦街信號對系統(tǒng)所作的功隨頻率變化的曲線； 圖5為采集流量為68. 7 m3/h時(shí)，渦街信號的時(shí)頻圖6為采集流量為68. 7 m3/h時(shí)，渦街信號對系統(tǒng)所作的功隨頻率變化的曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的原理是將渦街信號經(jīng)變尺度方法變換后輸入雙穩(wěn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)參考信號的頻率，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作功的大小，共振曲線隨參考信號的頻率將出現(xiàn)非單調(diào)的變化過程，共振峰所對應(yīng)的參考信號頻率即為被測渦街信號的頻率。本發(fā)明基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，具體步驟如下 1、利用信號采集系統(tǒng)采集渦街信號
選用口徑為50mm的渦街流量計(jì)，信號采集裝置為一循環(huán)的水管路，如圖1所示。水穩(wěn)壓罐為管路提供恒定的水壓，使實(shí)驗(yàn)時(shí)流量穩(wěn)定，減弱或消除工作裝置如水泵等帶來的振動干擾。水穩(wěn)壓罐體積為lm3，壓力范圍為0.2 0. 4MPa，水流量的大小由調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，流量范圍為3 20m3/h。電磁流量計(jì)是作為標(biāo)準(zhǔn)流量表給出進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的水的標(biāo)準(zhǔn)流量值，選用的是上海光華愛爾美特FIM4080K型，流量范圍(T20m7h小。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院的標(biāo)定檢測，標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的總誤差0. 5%。利用差壓測量方法，從渦街流量計(jì)的管壁取得差壓信號，經(jīng)差壓傳感器 (keellr的PD23系列的擴(kuò)散硅壓阻式差壓傳感器)轉(zhuǎn)化為電流信號。然后經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化為電壓信號。最后經(jīng)數(shù)字示波器進(jìn)行采樣(實(shí)際采樣頻率為
Ji )、觀察并保存實(shí)測數(shù)據(jù)，該電壓信號即為采集到的渦街信號。2、將渦街信號經(jīng)變尺度方法變換為小頻率信號；
根據(jù)頻率壓縮尺度比Λ定義壓縮采樣頻率乂，其中i 為頻率壓縮尺度比。則
采集到的渦街信號中的每一頻率成分均按頻率壓縮尺度比進(jìn)行線性壓縮，從而滿足隨機(jī)共振的絕熱近似理論，即輸入信號為小頻率信號。3、將變尺度后的渦街信號作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作功，尋找功的極值所對應(yīng)的頻率點(diǎn)，按頻率壓縮尺度比恢復(fù)實(shí)測渦街信號的頻率；
一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作的功為釅^^崎氺！；^^口移盧，其中為參
η Jf 、1
考信號的頻率， 為計(jì)算的初始時(shí)間，μ為計(jì)算的次數(shù)，A為歸一化幅值，明為雙穩(wěn)系統(tǒng)的
輸出。雙穩(wěn)系統(tǒng)的勢函數(shù)可寫為=其中和，均為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
2 4α h取參考信號的頻率為/，將變尺度后的渦街信號作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作的功隨/的變化曲線。通過調(diào)節(jié)參考信號頻率/，渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作的功隨/的增大先增大后減小，曲線上出現(xiàn)了一個(gè)峰值。確定曲線峰值即功的極值所對應(yīng)的頻率點(diǎn)，按頻率壓縮尺度比” I灰復(fù)，即可得到渦街信號的頻率為/Q = J； i。
實(shí)施例以下通過實(shí)例對本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步解釋。用該方法對渦街流量計(jì)輸出信號進(jìn)行處理，以流量13.2 m3/h和流量68.7 m3/h為例，采樣頻率為= 5000 Hz0圖2所示是流量為13. 2m3/h的渦街信號的時(shí)頻圖，由圖2無法分辨出渦街信號中的周期成分。設(shè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)# = 1 , =〗，頻率壓縮尺度比R = 500 ,壓縮采樣頻率為Λ = 5000 / 500 = 10。混合信號經(jīng)壓縮尺度比R =500線性壓縮之后作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作的功如圖3所示。當(dāng)調(diào)節(jié)參考信號的頻車渦街信號所作的功JT出現(xiàn)了非常敏感的變化， W隨/的增大呈現(xiàn)出非單調(diào)的峰值變化。在頻率/ = 0.20 Hz處，渦街信號所作的功取極大值。經(jīng)頻率尺度還原有0.20x500 = 100 Ηζ，該頻率即為渦街信號的頻率。另取流量為68.7m3/h的一組渦街信號，圖4所示為獲得數(shù)據(jù)的時(shí)域圖和頻譜圖，從圖中無法分辨出周期成分。取頻率壓縮比為R =500,則采樣頻率變?yōu)?br> = 5000/500=10。設(shè)非線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為# = 0.7， =1,將數(shù)據(jù)送入雙穩(wěn)系統(tǒng)中，得到渦街信號對系統(tǒng)作功隨頻率變化的曲線，如圖4所示。可以看到，當(dāng)頻率/ = OiU Hz時(shí)， 渦街信號所作的功取極大值。將測得的信號頻率經(jīng)尺度還原后得到渦街信號的頻率為 0.11x500 = 550 Hzο
權(quán)利要求
1.一種基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，其特征在于，具體步驟如下(1)利用信號采集系統(tǒng)采集渦街信號；(2)將渦街信號經(jīng)變尺度方法變換為小頻率信號；(3)將變尺度后的渦街信號作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作的功隨參考信號頻率變化的曲線圖，捕捉特征頻率，按頻率壓縮尺度比恢復(fù)實(shí)測渦街信號的采集尺度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，其特征是，所述步驟(1)，具體實(shí)現(xiàn)如下在渦街流量計(jì)渦街發(fā)生體附近上游打2個(gè)取壓孔，下游打3個(gè)取壓孔；從管壁取得的差壓信號經(jīng)差壓傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)數(shù)字示波器進(jìn)行采樣、觀察并保存測量數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，其特征是，所述步驟(2)，具體實(shí)現(xiàn)如下根據(jù)頻率壓縮尺度比R定義壓縮采樣頻率, 為渦街信號的實(shí)際采樣頻率；由壓縮采樣頻率得到數(shù)值計(jì)算步長為&=y/;r，使得渦街信號的每一頻率成分(渦街特征頻率為\ >按頻率壓縮尺度比λ線性壓縮，從而渦街信號的特征頻率壓縮為力=/D/α ,使之滿足隨機(jī)共振的絕熱近似理論，即輸入信號為小頻率信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法，其特征是，所述步驟(3 )，具體實(shí)現(xiàn)如下一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作的功為, =功)C0s2^f盧，其中力參考信號的頻率為計(jì)算的初始時(shí)間，為計(jì)ηχ‘Jhη算的次數(shù)，Λ為歸一化幅值，4 為雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出；將變尺度后的渦街信號作用到雙穩(wěn)系統(tǒng)，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對系統(tǒng)所作的功隨的變化曲線；通過調(diào)節(jié)參考信號頻率/ ，渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作的功隨/的增大先增大后減小，曲線上出現(xiàn)了一個(gè)峰值；根據(jù)峰值所對應(yīng)的頻率即可測定渦街信號的頻率，最后按頻率壓縮尺度比A恢復(fù)信號特征頻率為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于隨機(jī)能量共振的渦街頻率檢測方法。該方法將渦街信號經(jīng)變尺度方法變換后輸入雙穩(wěn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)參考信號的頻率，分析一個(gè)周期內(nèi)渦街信號對雙穩(wěn)系統(tǒng)所作功的大小，共振曲線隨參考信號的頻率將出現(xiàn)非單調(diào)的變化過程，共振峰所對應(yīng)的參考信號頻率即為被測渦街信號的頻率。與傳統(tǒng)的基于隨機(jī)共振的檢測方法相比，該方法不僅考慮了雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號幅值的影響，同時(shí)也考慮了雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號相位的影響，因此更具有完整性。該方法為提高渦街流量計(jì)現(xiàn)場適應(yīng)性及弱渦街流量信號頻率檢測提供了一種新的方法。
文檔編號G01F1/32GK102322940SQ201110231420
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者孟瑩, 林敏 , 黃詠梅 申請人:中國計(jì)量學(xué)院