基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法技术

本发明专利技术属于涡街流量计技术领域，尤其涉及基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法。其能够解决传统软件计算傅里叶方法速度慢且小流量误差大的问题，使得涡街流量计的可用量程比得到进一步扩展。包括直流信号处理模块、差分信号放大模块、单极性信号放大模块、比较器模块、MCU计算模块；所述直流信号处理模块的输入与涡街传感器的差分信号相连；所述直流信号处理模块的输出与差分信号放大模块的输入端相连，差分信号放大模块的输出端与单极性信号放大模块的输入端相连，单极性信号放大模块的输出端与比较器模块的输入端相连；所述比较器模块的输出端与MCU计算模块相连。比较器模块的输出端与MCU计算模块相连。比较器模块的输出端与MCU计算模块相连。

【技术实现步骤摘要】
基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法


[0001]本专利技术属于涡街流量计
，尤其涉及基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法。

技术介绍

[0002]现有的涡街流量计设计方法主要包括：基于硬件滤波的方法、基于软件的傅里叶计算的方法、数控滤波器的方法。
[0003]其中：一、基于硬件滤波的方法：通过拨码开关控制硬件滤波电路，滤除干扰并将信号整形成方波信号，从而产生与流量对应的脉冲信号，仪表只需要采集脉冲的数量，通过计算单位时间内的脉冲数与设置的仪表系数计算流量。此种方法采样速度快，但只适用于有效信号与噪声的信噪比较大的情况，一般适用于量程比小于或等于1：10的涡街流量计。且由于硬件滤波的方法只有脉冲计数功能，不能对信号做进一步的分析及处理，所以现场使用极易受干扰，而且也无法判断干扰信号的特性。
[0004]二、基于软件的傅里叶计算的方法：为了保证计算的准确性、减少流量测量的误差，软件傅里叶计算的方法一般采样点为2048，采样率通常2000以上，该方法适用于测量频率较高的流量，而对于频率较低的大管径涡街流量计测量误差较大。当测试频率为1000Hz流量时，误差为
±
1Hz，理论重复性为0.1％，而对于10Hz流量时，误差
±
1Hz，理论重复性为10％。
[0005]三、数控滤波器方法：在硬件上使用可控制的模拟开关替代传统的拨码开关构成数控滤波器，由于不需要软件计算最终的信号频率，使用较少的采样点，一般采样点为512，理论上傅里叶计算频率最大误差为11％，确定信号中心频率范围后，通过控制模拟开关进一步控制数控滤波器的中心频率及滤波窗口，由数控滤波器滤除干扰，并把涡街传感器输入的类正弦波信号转变成脉冲信号，MCU只需要通过单位时间内的脉冲数即可计算信号的频率，进一步计算流量值。此种方法的缺点是数控滤波器大幅增加产品成本，傅里叶仅做简单计算并确定窗口中心频率，不能分析信号的幅频特性，也不能对干扰的性质做进一步判断和处理，更不能显示和分析信号的原始频谱，但工业现场通常干扰类型复杂而且多种干扰与有效信号叠加，该方法在现场使用上仍有一定的局限性。

技术实现思路

[0006]本专利技术就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法。其能够解决传统软件计算傅里叶方法速度慢且小流量误差大的问题，使得涡街流量计的可用量程比得到进一步扩展。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0008]基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计，包括直流信号处理模块(即隔直模块)、差分信号放大模块、单极性信号放大模块、比较器模块、MCU计算模块；其特征在于：所述直流信号处理模块的输入与涡街传感器的差分信号相连；所述直流信号处理模块的输出与差分
信号放大模块的输入端相连，差分信号放大模块的输出端与单极性信号放大模块的输入端相连，单极性信号放大模块的输出端与比较器模块的输入端相连；所述比较器模块的输出端与MCU计算模块相连。(MCU计算模块包括MCU处理器，也即MCU。)
[0009]进一步地，所述直流信号处理模块包括隔直模块，所述MCU计算模块还分别与温度检测模块、压力检测模块、显示模块、脉冲输出模块相连。
[0010]更进一步地，涡街传感器输入的差分信号经过隔直模块去除直流分量后转变为交流信号，交流信号经过差分信号放大模块进行信号放大，再进入单极性信号放大模块进行二次放大，再由比较器模块限定信号最大幅值，信号由
‑
MCU计算模块的ADC采集，MCU计算并输出结果；
[0011]温度检测模块由MCU计算模块的ADC采集，压力检测模块由MCU计算模块的ADC采集，MCU计算模块计算涡街传感器输入信号、温度检测模块输入信号、压力传感器输入信号，计算结果为频率和流量，频率从频率输出模块输出，流量从显示模块输出，并且显示模块显示频率数据及频谱分析图。
[0012]基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计的流量计算方法；包括以下步骤：
[0013]步骤1、设置MCU计算模块中信号的采样点数为N为256或512；并计算采样率fs。
[0014]依据当前工况瞬时流量下(MCU计算模块)ADC寄存器的平均值计算增益PGA，设置MCU内部PGA的系数；将(新的)采样率fs及增益PGA写入MCU寄存器。
[0015]开始采样，采样完成后得到输入信号序列X(n)。
[0016]步骤2、对信号序列X(n)进行带通滤波计算，滤波后的信号序列为Y(n)。
[0017]步骤3、对信号Y(n)进行随机干扰滤波计算，得到输出序列R(m)。
[0018]步骤4、对输出序列R(m)进行傅里叶变换，得到序列Z(m)；并根据序列Z(m)得到信号的幅值序列A(m)。
[0019]步骤5、查找A(m)序列的最大值对应的序列点p，按以下公式计算流量值：
[0020][0021]式中，qv为工况瞬时体积流量，单位为m3/h，p为最大幅值对应的序列点，fs为采样率，N为采样点数。
[0022]进一步地，步骤1中，采样率fs采用公式如下：
[0023][0024]式中，fs为采样率，qv0为当前的工况瞬时体积流量，如果流量结果qv0无效，则qv0等于仪表的流量上限值，流量上限由用户设置；k为仪表系数。
[0025]进一步地，步骤1中所述依据当前工况瞬时流量下ADC寄存器的平均值计算增益PGA，设置MCU内部PGA的系数包括：
[0026]当MCU的ADC寄存器平均值小于128时设置PGA等于16。
[0027]当MCU的ADC寄存器平均值大于或等于128且小于256时设置PGA等于8；当MCU的ADC寄存器平均值大于或等于256且小于1024时设置PGA等于4。
[0028]当MCU的ADC寄存器平均值大于1024时设置PGA等于1。
[0029]进一步地，步骤2中，所述对信号序列X(n)进行带通滤波计算包括：
[0030]如果当前的qv0为有效值，滤波窗口中心频率f
l
按以下公式计算：
[0031][0032]式中，f
l
为滤波窗口中心频率，qv0为当前的工况瞬时体积流量，k为仪表系数。
[0033]如果qv0大于qv
max
×
0.2，则滤波窗口设置为[f
l
×
0.85，f
l
×
1.15]；如果qv0小于或等于qv
max
×
0.2，则滤波窗口设置为[f
l
×
0.6，f
l
×
1.5]。
[0034]如果当前的qv0结果无效，滤波窗口设置为[f
min
，f
max
]，f
min
和f
max
按以下公式计算。
[0035][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计，包括直流信号处理模块、差分信号放大模块、单极性信号放大模块、比较器模块、MCU计算模块；其特征在于：所述直流信号处理模块的输入与涡街传感器的差分信号相连；所述直流信号处理模块的输出与差分信号放大模块的输入端相连，差分信号放大模块的输出端与单极性信号放大模块的输入端相连，单极性信号放大模块的输出端与比较器模块的输入端相连；所述比较器模块的输出端与MCU计算模块相连。2.根据权利要求1所述的基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计，其特征在于：所述直流信号处理模块包括隔直模块，所述MCU计算模块还分别与温度检测模块、压力检测模块、显示模块、脉冲输出模块相连。3.根据权利要求2所述的基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计，其特征在于：涡街传感器输入的差分信号经过隔直模块去除直流分量后转变为交流信号，交流信号经过差分信号放大模块进行信号放大，再进入单极性信号放大模块进行二次放大，再由比较器模块限定信号最大幅值，信号由MCU计算模块的ADC采集，经MCU计算并输出结果；温度检测模块由MCU计算模块的ADC采集，压力检测模块由MCU计算模块的ADC采集，MCU计算模块计算涡街传感器输入信号、温度检测模块输入信号、压力传感器输入信号，计算结果为频率和流量，频率从频率输出模块输出，流量从显示模块输出，并且显示模块显示频率数据及频谱分析图。4.基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计的流量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、设置MCU计算模块中信号的采样点数为N为256或512；并计算采样率fs；依据当前工况瞬时流量下MCU计算模块中ADC寄存器的平均值计算增益PGA，设置MCU内部PGA的系数；将采样率fs及增益PGA写入MCU寄存器；开始采样，采样完成后得到输入信号序列X(n)；步骤2、对信号序列X(n)进行带通滤波计算，滤波后的信号序列为Y(n)；步骤3、对信号Y(n)进行随机干扰滤波计算，得到输出序列R(m)；步骤4、对输出序列R(m)进行傅里叶变换，得到序列Z(m)；并根据序列Z(m)得到信号的幅值序列A(m)；步骤5、查找A(m)序列的最大值对应的序列点p，按以下公式计算流量值：式中，qv为工况瞬时体积流量，单位为m3/h，p为最大幅值对应的序列点，fs为采样率，N为采样点数；所述MCU计算模块为权利要求1至3中任一项所述的MCU计算模块。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1中，采样率fs采用公式如下：式中，fs为采样率，qv0为当前的工况瞬时体积流量，如果流量结果qv0无效，则qv0等于仪表的流量上限值，流量上限由用户设置；k为仪表系数。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1中所述依据当前工况瞬时流量下ADC寄存器的平均值计算增益PGA，设置MCU内部PGA的系数包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊哲，裴锐，武胜，
申请(专利权)人：沈阳百思特仪表有限公司，
类型：发明
国别省市：