涡街流量计在过程测量和控制仪表中应用比较广泛。在理想情况下,涡街传感器的输出信号是正弦波,但是,当仪表安装在测量现场,由于管道机械振动和流场不稳定的干扰,使得传感器输出信号中含有低频、高频及随机噪声,波形不规则[1],现场测量精度达不到指标规定的要求。为此,国内外提出采用数字信号处理方法处理流量传感器信号,概括起来主要有2大类:频谱分析方法[2]和数字滤波方法。数字滤波方法又包含自适应陷波滤波[3]、数字跟踪滤波[4]及小波变换方法等。合肥工业大学徐科军等人首次提出将小波变换应用于涡街流量计,并采用紧支集二次样条小波函数[5],在研究中发现样条小波的幅频特性影响测量精度;天津大学张涛等人将小波变换应用于涡街流量传感器的信号分析,研究提高小流量测量精度的方法[6],但是没有对小波的选择方法进行讨论;中国科技大学的周康源等人利用Mallat算法对涡街信号进行多分辨率分析和去噪,提高涡街信号测量精度,并研制了基于MSP430的信号处理系统[7],但是没　　有深入研究滤波器组的构造。

　　小波变换的实质是利用小波滤波器对信号进行卷积,因此,滤波器的性质决定了小波变换的性质。在实际应用中,由于滤波器的幅频特性与理想的幅频特性有差距,造成小波变换后的细节信号含有不可忽略的低频成分,概貌信号中含有不可忽略的高频成分,影响靠近分频带附近的频率成分的测量精度。可见,要利用小波变换实现信号与噪声的准确分离,必须构造幅频特性好,即分频严格、能量集中的小波。对于如何构造幅频特性好的小波,常用的Db小波、Meyer小波、Harr小波都存在分频不好的问题[8]。从滤波器角度考虑,以上小波都是基于FIR滤波器构造的,与FIR滤波器相比, IIR滤波器具有良好的阻带衰减,用较低的阶数就可以获得比高阶FIR滤波器更好的幅频特性,且所用的存储单元少。从理论上讲,基于IIR滤波器可以构造出的幅频特性好的小波。

　　本文构造了IIR型Butterworth小波滤波器组,研究基于IIR型小波滤波器组的涡街信号处理方法,并研制了基于ADSP2181的数字信号处理系统,进行了实验。

　　2　IIR小波滤波器组

　　以双通道滤波器组为基础构造IIR滤波器组,双通道滤波器组如图1所示。H0(z)和H1(z)的频率特性将分别占据0~π/2和π/2~π两个频段。

　　为了使低通滤波器的幅频特性和高通滤波器的幅频特性共轭正交镜像对称,具有良好的通带和阻带的性能,通常将低通滤波器设计成半带滤波器H (z)[9]:

　　如式(2)所示的系统函数,其极点位置可以在单位圆内,也可以在单位圆外,为了保证设计的滤波器稳定,将T(z2)分解成:

　　H0(z)和H(z)的幅频特性一致,为了计算方便,常用H0(z)代替H(z)。

　　按Butterworth滤波器设计方法[10],得到:

　　将IIR滤波器组级联成树状滤波器组,用于信号的二进制分解,从而实现小波滤波的过程。

　　3　小波滤波算法的实现

　　在小波滤波算法实现过程中,一般采用Mallat算法,按照Mallat算法,要求每级小波滤波后进行抽点,由于频带减半,仍然可以满足采样定理的要求,但是每经过一级后数据减少一半,分解级数越大,概貌信号和细节信号的数据越少,以致难以看清波形变化的全貌,影响频率估计的精度。因此,本文在实际应用小波滤波时采用不抽点的小波变换,在冲激响应h0(k),h1(k)各点间插入适当的零值再作卷积。

　　在算法实现中,小波分解级数的选取有一定的限制,不仅要考虑计算精度,还要考虑计算量和实时性的要求。分解级数太少,信号中包含的谐波干扰滤除不干净,但是,级数越大,计算量越大,输出延迟越长,不符合实时性要求。在小波分解过程中,按频带二分的原则,分解到第几级可以得到我们需要的信号,这就是要求的分解级数。通俗地说,当尺度部分没有信号成分了,这时细节部分就是我们感兴趣的频带了,因此可以用尺度部分的能量和信号能量的比值作为是否再继续分解的判断标准。

　　经过小波滤波,信号被分解到不同的频带,这时利用平均周期的方法计算信号的频率。设正弦波如图2所示,只要计算出2个相邻零点之间的时间间隔T=(NK+1-NK) /fs, fs为采样频率,就可以利用式(8)求出该正弦波的频率。

　　由于确定零点时刻是利用信号过零点前后的采样值,通过判断前后两点采样值是否相反,确定有无过零点,如果采样得到的过零点不是真正的信号过零点,计算出的频率值就会有较大误差,本文采用线性插值确定过零时刻。如图3所示。

　　估计的过零点为:

　　下面以信号基频计算为例来比较Db10小波和IIR小波分解结果。

　　取fs=5 000Hz,N=2 048,信号为:

　　仿真结果如表1所示。

　　从表中可以看出:

　　(1)不管是Db10小波,还是IIR小波,频率估计误差都会呈现上下波动,频率位于频带的剖分边界,估计误差会增大;

　　(2)与Db10小波相比,采用IIR小波分解时,频率估计误差较小,这是由IIR较好的幅频特性决定的。

 4　涡街流量计数字信号处理系统

　　采用数字信号处理技术的涡街流量计对处理器的运算能力要求较高,本文采用数字信号处理器(DSP)作为其处理核心,研制了基于ADSP2181的数字信号处理系统。系统由ADSP2181处理器、前向输入通道、输出电路、键盘输入电路、保护电路等组成。前向输入通道为从接收压电传感器的输出信号到转换为数字量的通道,由电荷放大电路、程控放大电路、抗混叠滤波电路和模数转换器(A/D)组成。

　　涡街流量计信号处理系统的软件设计采用模块化设计方法。系统软件按功能分为:监控程序、定时器中断服务程序、外部中断服务程序、初始化模块、计算模块、LCD显示模块、EEPROM读写模块及复位WATCHDOG程序、键盘监控程序。外部中断服务程序和定时器中断服务程序在中断服务中调用,其他各功能模块、子程序大部分由监控程序调用。监控程序在上电时由上电中断服务程序调用,系统一上电便开始执行。模块之间存在接口,可以相互调用,以协作完成某些任务。初始化模块调用各个模块的初始化接口,进行整个信号处理系统的初始化。

　　计算模块得到流体频率、流量等参数,送指定数据缓冲区;显示模块从该数据缓冲区读取数据,根据键盘状态显示频率、流量等数值。键盘监控程序根据用户输入按键的情况,确定当时的键盘状态,该键盘状态也是显示模块调整显示内容的依据。利用键盘状态, 2个模块完成流体参数显示、仪表参数设定的功能。在仪表参数被修改之后,键盘监控程序置位“参数被修改位”,监控程序调用EEPROM写子程序,保存被修改的参数。主监控程序如图4所示。

　　5　标定实验

　　为了测试信号处理系统与传感器的适配能力,我们进行了现场实验,将涡街流量计数字信号处理系统与江苏省宜兴市路达仪表有限公司生产的传感器相配合进行测试,分别在江苏省宜兴市路达仪表有限公司气体流标定装置和安徽省流量仪表计量鉴定站的水流量标定装置上进行性能测试。

　　5.1　气体流量测试实验结果

　　在路达仪表有限公司进行现场实验时,将涡街流量计数字信号处理系统与该公司生产的DN50传感器(型号50554)相配合,在气体流量标定装置上进行测试,实验装置如图5所示。

　　气体流量标定装置的管道一端是大型鼓风设备,鼓风设备与变频器相连,改变变频器的频率值,即改变风速,相当于改变气体的流量。测试时,将涡街流量传感器(50554)安装在气体流量标定装置的管道上,传感器的输出信号接至涡街流量计数字信号处理系统的输入端,标准表是该公司已经标定过的、具有0. 5级精度的涡街流量计。调节变频器频率值改变流量,记录60 s标准表输出的脉冲数、涡街流量计数字信号处理系统计算出的频率值。每一个流量点测量10次,再计算仪表系数的重复性和线性度,数据处理结果如表2所示。

　　表2中,检定点仪表系数Ki=K·f标/f测,其中,K=8 901.1为标准表的仪表系数; f标=总脉冲数/60,为标准表的频率值; f测为信号处理系统10次测量的平均频率。传感器(50554)的重复性为0.29%,达到了1级表重复性0.33%的要求。传感器(50554)的线性度为0.25%。

　　5.2水流量测试实验结果

　　将涡街流量计数字信号处理系统与路达仪表有限公司生产的DN40传感器(960504 )相配合,在安徽省流量仪表计量鉴定站的水流量标定装置上进行性能测试,水流量标定装置如图6所示,图中的标准表采用涡轮表。

　　DN40的最大测量流量为43 m3/h。数据处理结果如表3所示,量程比达到了1∶20。

　　6　结　　论

　　小波滤波器组适用于频率变化范围较宽的信号滤波,将其应用于涡街流量计的信号处理,可以有效地将信号和噪声分解到不同频带,准确提取信号,提高频率的测量精度。