具有通信功能的數(shù)字式兩線制渦街流量計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

具有通信功能的數(shù)字式兩線制渦街流量計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

 傳統(tǒng)型渦街流量計大多采用基于電荷放大、低通濾波、電壓放大、整形和脈沖計數(shù)的模擬信號處理方法來計算渦街頻率，上海上自儀公司采用這種模擬信號處理方法的渦街流量計，其測量精度和抗干擾能力較差、量程范圍較小。:。世紀(jì)90年代以來，隨著微控制器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的高速發(fā)展，渦街流量計在信號處理方面開始向數(shù)字信號處理方向發(fā)展，從常規(guī)的基于放大、整形、計數(shù)的模擬信號處理方法，向基于FFT(快速傅立葉變換)的數(shù)字頻譜分析方向發(fā)展。國內(nèi)外專家、學(xué)者以及生產(chǎn)渦街流量計的廠家進(jìn)行了大量的實驗研究工作，采取各種措施、提出了多種數(shù)字信號處理方法，并取得了較好的效果，促進(jìn)了渦街流量計的發(fā)展。

 1990年，Barrett D.W等人通過對渦街流量計在正常工作條件下的噪聲特征進(jìn)行研究，提出建立信號模板和噪聲模板，并通過頻域變換以及互相關(guān)分析方法來消除渦街流量信號中的強噪聲。

 1993年，Amadi-Echendu J.E等人對渦街流量計處在不同的工作環(huán)境時，環(huán)境噪聲對渦街頻率的影響進(jìn)行了研究，分別采集了當(dāng)現(xiàn)場存在離心式水泵、容積式泵以及震動電機工作時，渦街流量傳感器的輸出信號，并采用基于FFT的數(shù)字頻譜分析方法對采集的信號進(jìn)行處理，計算渦街頻率，大大提高了渦街流量計的測量精度和抗干擾能力。

 2002年，Clark D.W等人提出采用外差法和希爾伯特變換相敏檢波器的雙數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計方法，可以估計信噪比較低的正弦波信號的頻率。Clark D.W等人將該方法應(yīng)用于渦街流量計進(jìn)行信號處理，用來提高渦街流量計的抗干擾能力、降低量程下限。

 國外的一些生產(chǎn)渦街流量計的廠家對渦街流量計數(shù)字信號處理新技術(shù)也進(jìn)行了大量的實驗研究。例如，Rosement公司采用數(shù)字跟蹤濾波器來濾除渦街流量信號中的噪聲 , Foxbor。公司將自適應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用于渦街流量計進(jìn)行數(shù)字信號處理，以提高渦街流量計的測量精度。

 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的龔振起等提出一種基于快速遞歸好小二乘法的AR模型參數(shù)估計方法，從含有噪聲的信號中提取流量信息。測試結(jié)果表明，該方法明顯提高了渦街流量計的抗振動干擾能力[[16]0

 合肥工業(yè)大學(xué)DSP實驗室自20世紀(jì)九十年代開始，對渦街流量計數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，先后將基于FFT的周期圖譜分析法、基于Burg算法的好大嫡譜法、自適應(yīng)陷波濾波法、連續(xù)小波變換法、時域方差法等算法用于渦街流量計進(jìn)行數(shù)字信號處理，并研制了多種以DSP控制器為核心的數(shù)字式渦街流量計。

 然而，渦街流量計為過程控制儀表，有兩線制、4mA電流的限制，而DSP控制器的功耗較大。因此，以DSP控制器為核心的數(shù)字式渦街流量計無法滿足過程控制儀表對系統(tǒng)消耗電流需低于4mA的要求。為此，在渦街流量計的低功耗實現(xiàn)方面，國內(nèi)外專家、學(xué)者以及生產(chǎn)渦街流量計的廠家也進(jìn)行了大量的實驗研究工作。

 日本橫河公司(Yokogawa)采用SSP(頻率信號處理)技術(shù)成功研制出兩線制4-2OmA渦街流量計，滿足了過程控制儀表對低功耗的要求。但是，在硬件電路中加入了頻譜分析器，增加了硬件成本，并且在計算渦街流量信號的頻率時，仍然采用傳統(tǒng)的放大、整形和脈沖計數(shù)的模擬信號處理方法。

 美國Racine Federated公司將超聲波技術(shù)用于渦街流量計進(jìn)行渦街流量信號的頻率測量，雖然實現(xiàn)了兩線制、4-2OmA電流輸出。但是，由于采用了超聲波技術(shù)，超聲波傳感器的價格昂貴，成本太高。

 合肥工業(yè)大學(xué)DSP實驗室采用MSP430低功耗單片機，研制出數(shù)字式兩線制渦街流量計。上海上自儀公司采用基于FFT的周期圖譜分析方法計算渦街流量傳感器輸出信號的幅值譜。同時，對計算得到的幅值譜進(jìn)行幅值和頻率校正，提高頻率計算精度。采用匯編語言編寫FFT程序，提高程序的執(zhí)行速度，滿足了現(xiàn)場實時性要求。但是，沒有引入通信功能，應(yīng)用范圍受到一定的限制。

 重慶大學(xué)自動化學(xué)院的李建平以低功耗單片機MSP430F5438為核心，研制了基于HART總線的智能型渦街流量計。在兩線制儀表的基礎(chǔ)上，引入了HART通信功能。但是，為了節(jié)省功耗，上海上自儀公司以滿足過程控制儀表的低功耗要求，仍然采用的是傳統(tǒng)的放大、整形和脈沖計數(shù)的模擬信號處理方法。