基于频率方差与幅值相结合的涡街流量计抗振动方法及实现

作     者：黎翱 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐科军

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：涡街流量计 频率方差 频谱幅值 振动干扰 同频信号 

摘      要：在众多流量仪表中,涡街流量计能够测量液体、气体和饱和蒸汽等多种介质的流量,应用广泛。涡街流量计是基于流体振动原理进行流量测量的。在实际应用过程中,涡街流量计特别容易受到管道振动干扰的影响,即当管道上存在振动干扰时,涡街流量传感器的输出信号中不仅包含流量信号,还包含管道振动干扰信号。若其中的管道振动干扰能量大于流量信号能量,即管道上存在强管道振动干扰时,常规的按照能量占优原则的信号处理算法会将振动噪声的频率提取为流量信号的频率,造成测量错误。搭建了涡街流量计抗强振动干扰实验平台,并采集大量的流量信号、振动干扰信号以及同频信号(流量信号与振动干扰的频率相同或相近时,涡街流量传感器输出的信号)的实验数据。分析涡街流量传感器输出信号的频率方差特性,同时,分析涡街流量传感器输出信号的频谱幅值的特点以及管道振动干扰对流量信号频谱幅值的影响。提出了频率方差计算与幅值运算相结合的涡街流量计抗强管道振动方法。该方法首先计算频率方差,并对方差值进行处理;进行幅值运算;结合频率方差和幅值运算的结果从含有强振动干扰的信号中提取出流量信号的频率。这样既充分利用信号的频率信息的同时,又利用信号的幅值信息估计流量信号的频率,更好地消除管道振动基波干扰以及振动谐波干扰、解决同频信号的测量等问题。研制了以MSP430F5418单片机为核心的低功耗涡街流量计信号处理系统,实时实现抗振算法,并分别在重庆川仪自动化股份公司的涡街流量计抗管道振动实验平台和气体流量标定装置上进行抗振实验和气体流量标定实验,验证算法的抗振性能以及算法用于正常流量测量时的精度等级。其中,抗振实验结果为:当流量信号与振动干扰不同频时,研制的涡街流量计最高可抵抗频谱幅值是流量信号的频谱幅值的21.2倍的水平方向或18.5倍的垂直方向的振动干扰;当流量信号与振动干扰同频时,最高可抵抗频谱幅值是流量信号的频谱幅值的1.3倍的水平方向或垂直方向的振动干扰。气体流量标定实验结果为:在1:10的量程范围内,研制的涡街流量计测量气体的最大重复性误差小于0.3%,满足国标要求的1级精度等级。设计涡街流量计功耗测试实验,测试研制的涡街流量计信号处理系统自身消耗的电流,测试结果为:系统全负荷运行时所消耗的电流为3.7580mA,满足两线制过程控制仪表对系统消耗电流需低于4mA的要求。