具有通信功能的數(shù)字式兩線制渦街流量計國內外研究現(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90年代以來，隨著微控制器技術和數(shù)字信號處理技術的高速發(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。國內外專家、學者以及生產(chǎn)渦街流量計的廠家進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行了研究，分別采集了當現(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等人將該方法應用于渦街流量計進行信號處理，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)字信號處理新技術也進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。公司將自適應濾波技術應用于渦街流量計進行數(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DSP實驗室自20世紀九十年代開始，對渦街流量計數(shù)字信號處理技術進行了大量的研究，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，國內外專家、學者以及生產(chǎn)渦街流量計的廠家也進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公司將超聲波技術用于渦街流量計進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，超聲波傳感器的價格昂貴，成本太高。

 合肥工業(yè)大學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，應用范圍受到一定的限制。

 重慶大學自動化學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。