[发明专利]基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计

摘要

设计双压电传感器的涡街流量计一次仪表，充分利用两个压电传感器输出信号的相似性。提出一种基于互相关分析快速计算延迟时间的方法，大大减少了互相关分析的计算量。对互相关分析结果进行三次样条插值，提高延迟时间的计算精度。以MSP430F6459单片机为核心，研制基于互相关分析的涡街流量计，能够测量雷诺数在50000～20000范围内的小流量，并保证一定的测量精度。

主权项

1.基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计，包括单片机、压电传感器1、压电传感器2、电荷放大器1、电荷放大器2、低通滤波器1、低通滤波器2、电压跟随器1、电压跟随器2、电源管理电路、4‑20mA输出电路、脉冲输出电路、液晶显示、键盘输入、保护电路和基于互相关分析测量低雷诺数流量的信号处理方法软件；涡街流量计一次仪表由漩涡发生体、压电传感器1和压电传感器2组成；其中，漩涡发生体用于产生稳定的漩涡，压电传感器1和压电传感器2输出用于互相关分析的两路涡街流量信号；这两个压电传感器均安装在漩涡发生体的下游，互相之间间隔一定的距离L，使它们输出信号间的延迟时间小于涡街流量信号的一个周期，以便进行延迟时间T的测量；压电传感器1和压电传感器2的输出信号分别通过两路完全一致的信号调理电路进行适当放大和低通滤波后，由单片机内部的ADC进行采样，转换成数字信号；单片机对采集到的数字信号进行分析处理，得到流量值；最后，系统将流量测量结果显示在液晶上，并通过4‑20mA输出电路转换成相应的4‑20mA直流电流输出，或通过脉冲输出电路转换成相应频率的脉冲信号输出；其特征在于：单片机采用两种方法计算瞬时流量，即互相关分析方法和幅值谱分析方法，并根据现场流量的大小来进行切换；当瞬时流量值所对应的ReD大于20000时，选用幅值谱分析的方法，对其中压电传感器1的输出信号进行FFT变换，计算幅值谱，找出幅值谱中幅值点所对应的频率作为涡街流量信号的频率f，并根据频率f来计算流量；当瞬时流量值所对应的ReD小于20000时，选用互相关分析方法，计算流体流过两个压电传感器的延迟时间T，并用距离L除以延迟时间T来计算流量；该方法充分利用两个压电传感器输出信号的相似性，进行流量测量；基于互相关分析快速计算延迟时间T的方法，减少所需的内存容量和运算量，提高仪表的实时性；假设压电传感器1和压电传感器2的输出信号分别为x1(n)和x2(n)，则其互相关函数为：式中，N为每次进行互相关分析的信号的点数，m的取值范围为‑(N‑1),‑(N‑2,…,0,…,N‑2,N‑1；所述基于互相关分析快速计算延迟时间T算法的具体内容为：(1)在进行互相关分析时，由于x1(n)始终超前x2(n)，即延迟时间T为正值；因此，只需计算m＝0,1,…,N‑1范围内互相关分析的结果，这样将计算量减少一半；(2)两个压电传感器输出的涡街流量信号x1(n)和x2(n)近似为频率相同的周期性正弦波信号；因此，其互相关分析结果也近似为同周期的正弦波信号；在设计涡街流量计一次仪表时，合理设计两个压电传感器之间的距离L，确保两个压电传感器输出信号间的延迟时间T小于涡街流量信号的一个周期；因此，在互相关分析结果中，第一个局部峰值点所对应的时间为两个信号间的延迟时间T；这样，只需计算m＝0,1,…,N1‑1范围内互相关分析的结果；其中，N1小于N，但是，必须保证第一个局部峰值点出现在互相关分析结果中；本发明中N＝4096，N1＝240；(3)由于我们的目的是求解两个信号之间的延迟时间T；因此，只需关心互相关分析结果第一个局部峰值点附近的互相关分析的精度；为此，对互相关分析的长度为N的两个信号序列x1(n)和x2(n)进行步长为s的抽点；s必须小于N，且可以整除N；抽点后的数据长度变为原来的1/s倍，采样周期变为原来的s倍；然后，对抽点后的数据进行互相关分析，并找到互相关分析结果的第一个局部峰值点mjmax；由于采样周期变为原来的s倍，导致互相关分析的精度变差；mjmax所对应的时间与实际的延迟时间T可能存在一定的偏差，但实际的延迟时间T肯定就在mjmax附近；为此，取m等于mjmax左右若干点；在此范围内，对抽点前长度为N点的数据进行互相关分析，将其互相关分析结果的峰值点所对应的时间，作为延迟时间T；这样，既能大大减少互相关分析求延迟时间的计算量，又能保证延迟时间T的计算精度。