基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计及流量计算方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.二、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％。
5.三、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。


技术实现要素：

6.本发明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。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
8.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。)
9.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。
10.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；
11.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。
12.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：
13.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。
14.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。
15.开始采样，采样完成后得到输入信号序列x(n)。
16.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)。
17.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)。
18.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)。
19.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][0036][0037]
式中，f
max
为滤波窗口最大值，f
min
为滤波窗口最小值，qv
max
为仪表的流量上限，qv
min
为仪表的流量下限，k为仪表系数。
[0038]
更进一步地，带通滤波计算的算法为矩形窗、图基窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗、凯塞窗中任意一种。
[0039]
进一步地，步骤3中，所述对信号y(n)进行随机干扰滤波计算包括：
[0040]
将序列y(n)拆分为两个序列y1(m)，y2(m)，其中m＝0.5n。y1(m)序列为y(n)的前半部分，y2(m)序列为y(n)的后半部分，按以下公式计算：
[0041][0042]
式中，r(m)为随机干扰过滤计算后的输出序列。
[0043]
进一步地，步骤4中，所述对输出序列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)包括：
[0044]
对序列r(m)按以下公式计算傅里叶变换：
[0045][0046][0047]
式中，z(m)为傅里叶计算后的序列，z
real
(m)为序列z(m)的实数，z
imag
(m)为序列z(m)虚部，a(m)为信号的幅值序列。
[0048]
与现有技术相比本发明有益效果。
[0049]
本发明所述mcu计算模块中mcu内部adc通过较少的采样点及动态采样率采集原始信号，并使用带通滤波算法、随机干过滤算法、傅里叶算法进行软件计算输入信号的流量。其采用动态计算采样率方法，针对不同瞬时流量动态计算采样率，在采样点数量不变的情况下，提高了信号的精度，与传统涡街流量计相比，大幅提高了量程范围，且统一程序和硬件电路可适用于不同管径，简化生产流程。
附图说明
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
[0051]
图1是基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计的结构框图。
[0052]
图2是基于动态傅里叶的宽量程涡街流量计的流量计算方法流程图。
具体实施方式
[0053]
如图1-2所示，实施例1：计算流量的具体步骤包括：
[0054]
步骤201、流量计算流程开始，检测当前工况瞬时流量值是否有效，如果当前流量值有效则继续执行步骤202；如果当前流量值无效，则执行频骤203。
[0055]
步骤202、计算采样率fs和增益pga。
[0056]
其中，采样率fs采用公式如下：
[0057][0058]
式中，fs为采样率，qv0为当前的工况瞬时体积流量，k为仪表系数。
[0059]
其中，增益pga设置及计算方法如前。
[0060]
步骤203、使用程序预置采样率和增益系数，程序预置采样率与管径相关，不同管径预置的默认采样率不同，管径小于或等于40cm程序预置fs为8000，预置pga为4；管径大于40cm小于200cm程序预置fs为4000，预置pga为2；管径大于或等于200cm程序预置fs为1000，预置pga为1。
[0061]
步骤204、使用新的采样率fs和增益pga初始化mcu内部的adc寄存器，并且开始采样。
[0062]
步骤205、查询采样完成标识，等待采样完成。
[0063]
步骤206、计算软件带通滤波器的滤波窗口中心频率及宽度，使用程序设置的滤波算法进行滤波滤除干扰，滤波算法可以选择：矩形窗、图基窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗、凯塞窗。
[0064]
步骤207、对滤波后的信号进行随机干过滤计算。
[0065]
步骤208、计算信号的频率、幅值、流量值。
[0066]
步骤209、使用步骤208中计算的频率结果初始化mcu的pwm寄存器，输出脉冲信号；通过液晶显示屏显示工况瞬时体积流量值和频谱图。
[0067]
实施例2：结合dn50管径，量程比为1：40的宽量程涡街流量计来进一步说明。
[0068]
由于最大采样点为512和随机干过滤法算，本发明使用最高频率为32m的mcu，mcu内部有23位adc，adc最大16倍增益，具有dma功能。
[0069]
dn50管径量程比为1：40的涡街流量计流量范围约为10m3/h～400m3/h，对应的频率范围30hz～1200hz。仪表上电，mcu的瞬时工况体积流量qv0变量为无效值，输入信号电压平均值mv_average变量为无效值，使用仪表设置的采样率及增益pga，对于dn50管径仪表采样率fs等于4000，增益pga等于2，滤波窗口30hz～1200hz。初始化mcu寄存器，开启dma功能，adc采集输入电压值通过dma自动存储至dma输入缓冲区，采样完成后置中断标识位。
[0070]
采样完成后，将dma输入缓冲区存储的变量值全部复制到计算缓冲区，清除中断标
识位，进行下一次amc预采样。
[0071]
使用计算缓冲区的变量，通过软件滤波、随机干扰过滤、傅里叶计算，得出当前工况瞬时流量qv。
[0072]
计算下一次采样的参数，比较qv与qv0，如果qv0为有效值，且qv小于qv0*1.1且大于qv0*0.9，fs、pga保持不变，adc继续采样，不清除dma输入缓冲区数据；否则重新计算fs和pga，并初始化mcu寄存器，清除dma输入缓冲区数据，重新开始adc采样。
[0073]
dn50管径最小流量10m3/h，由于选用mcu带有23位adc且带有最大16倍增益，可以准确测量涡街传感器最小流量信号输入的电压值，按照公式计算fs为100，pga设置为8，理论误差为0.325％，涡街输入信号为类正弦波信号，程序通过正弦波拟合算法，进一步提高测量精度，仪表实测最小流量重复性小于0.2％，满足1.0级表小流量重复性0.3％，测量误差2.0％的要求。由于mcu具有dma功能，信号采集不需要mcu干预，直接把adc采集的数据存入输入缓冲区，流量较稳定的条件下采集数据与计算同步进行，流量响应速度相关要求。
[0074]
dn50管径最大流量400m3/h，pga设置为1，采样率fs等于3600hz，理论误差为0.29％，拟合后实测误差小于0.15％，满足1.0级表重复性0.3％，测量误差1％的要求。
[0075]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。