針對(duì)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)易受流體壓力波動(dòng)以及機(jī)械振動(dòng)干擾的問(wèn)題，采用了一種由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的低功耗自適應(yīng)FFT 信號(hào)分析方法，該方法通過(guò)電路粗判流量傳感器的信號(hào)頻率，在中小流量段，選取與之匹配的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過(guò)功率譜分析獲得主頻率從而達(dá)到抗 干擾的性能，提高流量測(cè)量精度；而在中大流量段，直接由硬件控制輸出。經(jīng)試驗(yàn)證明：該方法降低了旋進(jìn)流量計(jì)測(cè)量下限，拓寬了流量計(jì)范圍，大大提高抗干擾性 能，且適合于微功耗流量計(jì)使用。

  1旋進(jìn)流量計(jì)是基于流體經(jīng)過(guò)旋渦發(fā)生體時(shí)產(chǎn)生流體振動(dòng)，而振動(dòng)頻率與流體的流速成正比。他們已有近 30 年的歷史，主要包括精度高、線性度好，使用壽命長(zhǎng)、線性范圍寬，幾乎不受濕度、壓力密度變化影響等優(yōu)點(diǎn)，得到廣大用戶的青睞，在氣體、液體、蒸汽等領(lǐng)域具 有廣闊的應(yīng)用前景。但其采用的測(cè)量原理決定了振動(dòng)信號(hào)易受外界噪聲的干擾，當(dāng)流體不穩(wěn)定時(shí)，流體壓力的波動(dòng)以及來(lái)自系統(tǒng)和環(huán)境的振動(dòng)和噪聲等將使流量計(jì)的 信噪比明顯降低，特別是在低流速等信噪比小的情況下，甚至使其喪失其正常計(jì)量功能[1]。因此，如何對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，從疊加了噪聲的信號(hào)中提取有用的頻率信號(hào)，成為了提高旋進(jìn)流量計(jì)性能的重點(diǎn)。

2 旋進(jìn)流量計(jì)存在的主要缺點(diǎn)

流量下限偏高，在低流速下極易受到各種干擾，從而無(wú)法保證其計(jì)量精度，是旋進(jìn)流量計(jì)的缺點(diǎn)。目前，流量傳感器采用的一般為壓電晶體，其輸出的信號(hào)為毫伏 級(jí)，且其信號(hào)一般由兩部分組成：（1）由流速產(chǎn)生的正弦流體振動(dòng)信號(hào)；（2）各種干擾引入的噪聲信號(hào).因此傳感器輸出的信號(hào)遠(yuǎn)非理想的正弦波，而是一個(gè)混 有噪聲的混合信號(hào)。當(dāng)流量比較大時(shí)，流體振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)，在同樣強(qiáng)度的噪聲干擾下，其信噪比高，干擾噪聲的影響不顯著，如圖1所示，流量信號(hào)還是比較理想的 正弦波，此時(shí)一般通過(guò)硬件電路整形濾波即可得到正常的流體振動(dòng)頻率信號(hào)。而當(dāng)流量比較小時(shí)，流體振動(dòng)信號(hào)較弱，信噪比小，干擾噪聲的影響顯著，流量信號(hào)的 波形發(fā)生畸變，如圖 2 所示，此時(shí)采用一般的硬件電路無(wú)法得到正常的流體振動(dòng)頻率信號(hào)。因此，低流速測(cè)量成為了限制旋進(jìn)流量計(jì)應(yīng)用的瓶頸。廠家一般通過(guò)規(guī)定下限截止頻率、限制下 限流量來(lái)解決此問(wèn)題，但這樣就犧牲了流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。其次，信號(hào)整形過(guò)程多采用閾值比較法，這也易引起漏計(jì)和多計(jì)現(xiàn)象現(xiàn)象，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。目前，基于對(duì) 稱安裝的雙壓電傳感器構(gòu)成的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)使旋進(jìn)流量計(jì)的抗干擾性能雖得到了很大提高[1]，但還有提高的空間。

3旋進(jìn)流量計(jì)信號(hào)處理方法

一般信號(hào)處理方法可分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字處理兩種。

3.1 模擬信號(hào)處理方法

模擬信號(hào)處理一般由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在使用的旋進(jìn)流量計(jì)，大多數(shù)產(chǎn)品雖采用了微處理器，但僅用于流量計(jì)算處理，而表征流速的頻率仍用硬件電路實(shí)現(xiàn)，典型的電路和框圖如圖 3 所示，壓電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器N1、N2放大后再經(jīng) N3差動(dòng)放大，可濾除部分共模成分，再經(jīng)過(guò) N4和斯密特電路 D1的放大、濾波、整形，得到與流速成正比的脈沖頻率信號(hào)，送入微處理器進(jìn)行計(jì)數(shù)并運(yùn)算處理，從而獲得被測(cè)流體的流量。用硬件電路實(shí)現(xiàn)頻率檢測(cè)實(shí)時(shí)性較好，反應(yīng)快。

3.2 數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有靈活、精確、抗干擾性強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)所無(wú)法比擬的。國(guó)內(nèi)外對(duì)于旋進(jìn)流量計(jì)和渦街流量計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理方法主要有互相關(guān)法[2]、譜分析法、小波變換法[3]等。 其中應(yīng)用的較多的是譜分析的方法，譜分析法能夠從含有噪聲的信號(hào)中提取有用信號(hào)的主頻率。但以往的 FFT 譜分析方法都只是采用單一的采樣頻率，缺少對(duì)高低頻率同時(shí)適應(yīng)的能力，降低下限作用不顯著；另外，一般為采用 DSP 技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微功耗，無(wú)法在電池供電系統(tǒng)使用。

4 低功耗自適應(yīng) FFT 方法

4.1 自適應(yīng) FFT 簡(jiǎn)介

在 FFT 譜分析中，系統(tǒng)的分辨率由采樣頻率 fs與采樣點(diǎn)數(shù) N 來(lái)決定，即：

為滿足旋進(jìn)流量計(jì)電池供電的要求，必須采用微功耗單片機(jī)進(jìn)行FFT 功率譜分析。但在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的 FFT 譜分析中，為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和低功耗要求，采樣點(diǎn)數(shù)不能太高。為了提高系統(tǒng)的分辨率，就必須減小采樣頻率，但采樣頻率的降低又受香農(nóng)采樣定律的制約，即 采樣頻率必須大于等于信號(hào)頻率的 2 倍，以防發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象。采樣頻率必須根據(jù)信號(hào)最大頻率選取，這時(shí)在低頻段由于頻率分辨率的不足就會(huì)造成測(cè)量誤差。因此，用普通的 FFT譜分析方法難于滿足旋進(jìn)流量計(jì)在低流速時(shí)的需要。為此，我們提出了自適應(yīng)的 FFT 功率譜分析方法，它是將 FFT 的采樣頻率進(jìn)行分段而不是采用單一采樣頻率，以適應(yīng)高低頻段的要求。

4.2 自適應(yīng) FFT 方法的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng) FFT 技術(shù)，就需要預(yù)先測(cè)得流量傳感器輸出信號(hào)的大體頻率范圍，以確定所選用的采樣頻率。此方法為由單片機(jī)先測(cè)量流量傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)放大整形得到的脈沖頻率 值，再通過(guò)閾值比較的方法來(lái)獲得。在 FFT 的應(yīng)用中，使用較多的是針對(duì)采樣點(diǎn)數(shù) N 等于 2 的整數(shù)次冪的算法，它們主要有基 2 算法、基 4 算法、分裂基算法等。“基”數(shù)越大，運(yùn)算的次數(shù)越少，但是當(dāng)“基”數(shù)大于 4 后，運(yùn)算次數(shù)的減少不再明顯，因此常用的是基 2 算法和基 4 算法。因基 2 算法較為簡(jiǎn)單且運(yùn)用廣泛，所以我們采用基于頻率采樣（DIF）的基 2 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT變換。

采用基-2 頻分 FFT 算法（DIF），其分步運(yùn)算流程圖如圖 4。

在 RAM 存儲(chǔ)空間中存儲(chǔ) N=512 的序列，由于快速傅里葉是原位運(yùn)算，即每一個(gè)運(yùn)算蝶的輸入和輸出占據(jù)相同地址的存儲(chǔ)空間，因而在實(shí)現(xiàn) FFT 過(guò)程中無(wú)需額外的存儲(chǔ)空間。

快速傅里葉變換中有復(fù)數(shù) WNn參 與運(yùn)算，因而序列是復(fù)數(shù)序列.復(fù)數(shù)包含實(shí)部和虛部，分別以 12位浮點(diǎn)數(shù)FPP12表示，并用前文所述的方法存入3個(gè)字節(jié)，即一個(gè)復(fù)數(shù)占據(jù) 3 字節(jié)的存儲(chǔ)空間。在蝶運(yùn)算之前，先從存儲(chǔ)空間中讀出兩個(gè) 3 字節(jié)的復(fù)數(shù)x（n）和 x（n+N/2），并分別拆分成 FPP12 格式的實(shí)部和虛部，分別存入暫存器中，然后再進(jìn)行蝶運(yùn)算。在蝶運(yùn)算之后，將結(jié)果兩個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部用前文所述的方法壓縮為兩個(gè) 3 字節(jié)的復(fù)數(shù)，分別存入原存儲(chǔ)空間x（n）和 x（n+N/2），作為下一級(jí)運(yùn)算的x0（n）和 x1（n），實(shí)現(xiàn)原位運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) FFT。

考慮到流量計(jì)低功耗的需求，我們采用 TI 公司的超低功耗單片機(jī) MSP430F149，并用 C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的 FFT 譜分析法[4]， 電路設(shè)計(jì)如圖 5 所示。考慮到在中上流量段，流量計(jì)信噪比高，不易受到干擾，我們采用頻率測(cè)試判斷方法。對(duì)于不同口徑，設(shè)置不同頻率閾值，當(dāng) CPU 的 A 端口檢測(cè)到的頻率大于閾值時(shí)，直接置 B 端口為高電平，將整形放大后的脈沖信號(hào)直接送到流量計(jì)的表頭計(jì)數(shù)處理，且 FFT 模塊中的 CPU 直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低功耗。而當(dāng)頻率低于閾值時(shí)，即啟動(dòng) FFT模塊，進(jìn)入 FFT 過(guò)程，同時(shí) CPU 的 B 端口置為低電平，關(guān)閉前置信號(hào)輸出通道，而由 FFT 計(jì)算后所得頻率信號(hào)輸出到信號(hào)輸出口。另外，為了進(jìn)一步降低功耗，主程序均采用中斷方式，減少等待時(shí)間，達(dá)到進(jìn)一步降低功耗的目的。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 6 所示。

4.3 自適應(yīng) FFT 參數(shù)確定

4.3.1 采樣點(diǎn)數(shù)

由于采用的 FFT 算法為基 2 算法，所以采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)是 2 的指數(shù)冪。采樣點(diǎn)數(shù)越多，F(xiàn)FT 譜波越接近理想狀態(tài)，功率譜的譜峰值越高，對(duì)噪聲的抑制能力也越強(qiáng)。為了保證計(jì)算精度，F(xiàn)FT 譜分析采樣點(diǎn)數(shù)一般要大于 512 點(diǎn)。但是隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增多，系統(tǒng)的運(yùn)算任務(wù)也越大，運(yùn)算時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，加之單片機(jī)存儲(chǔ)空間的限制采樣點(diǎn)數(shù)不能太大，經(jīng)折中考慮，選取采樣點(diǎn)數(shù)為 1024 點(diǎn)。實(shí)際證明，1024 個(gè)采樣點(diǎn)能兼顧單片機(jī)的運(yùn)算時(shí)間和計(jì)算精度的需要。

4.3.2采樣頻率

采樣頻率要綜合考慮香農(nóng)采樣定理和分辨率的要求來(lái)選擇。在 FFT 程序中采樣頻率是由 Time_B的連續(xù)計(jì)數(shù)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，則可設(shè)定流量信號(hào)的采樣周期為：

當(dāng) FFT 模塊第一次 AD 采樣時(shí)，其采樣頻率是通過(guò)單片機(jī)粗測(cè)的頻率值來(lái)確定采樣頻率，選擇的依據(jù)是讓采樣頻率大于信號(hào)頻率的 4 倍而小于 8倍（見(jiàn)表 1）。而通過(guò) FFT 計(jì)算得到信號(hào)頻率 Fv后，緊接的下次采樣頻率是由上次 Fv的值進(jìn)行確定的，確定依據(jù)也是按表1進(jìn)行。采樣頻率的選擇是通過(guò)改變 SAMPLE_NUM 的值實(shí)現(xiàn)的。SAMPLE_NUM 取為2的整數(shù)倍。

5實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

我們對(duì)一臺(tái)DN50 的旋進(jìn)流量計(jì)在 LXH-600臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置上進(jìn)行了性能比對(duì)試驗(yàn)。A 方案為僅帶圖 3 的模擬信號(hào)處理電路模塊，B方案為在A方案的同個(gè)模擬信號(hào)處理電路模塊上增加 FFT 處理模塊，原理框圖如圖5所示。同時(shí)對(duì)兩種形式都采用了無(wú)干擾源和有干擾源的方案進(jìn)行了測(cè)試，干擾源的加入方法是在后直管段的 5D 處增加振動(dòng)幅度為 5 mm、頻率為 20 Hz 的振動(dòng)干擾源。且 FFT 處理模塊的頻率閾值取 200 Hz（對(duì)應(yīng)流量約為 30 m3/h），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示 

上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）當(dāng)流量為 4.95m3/h 時(shí)，此時(shí)流速很低，旋渦振動(dòng)弱，僅采用模擬信號(hào)處理電路模塊的 A 方案無(wú)法檢測(cè)流量，加入振動(dòng)時(shí)，頻率波動(dòng)更大。而增加FFT 模塊后的 B 方案，即可準(zhǔn)確檢測(cè)到流量值，說(shuō)明采用自適應(yīng) FFT 方法后，流量計(jì)的流量下限得到明顯下降，提高了流量范圍度。

（2）當(dāng)流量為 8.1 m3/h 時(shí)，若無(wú)干擾，僅采用模擬信號(hào)處理電路模塊的 A 方案也可準(zhǔn)確檢測(cè)流量值，但當(dāng)有干擾時(shí)，即頻率波動(dòng)范圍大，無(wú)法正常檢測(cè)。當(dāng)流量提高到 27.9m3/h時(shí)，才基本不受干擾影響。而增加 FFT 模塊后的 B 方案，均可準(zhǔn)確測(cè)量流量，說(shuō)明采用自適應(yīng) FFT 方法后，流量計(jì)的抗干擾能力得到很大的提高。

（3）當(dāng)流量大于頻率閾值對(duì)應(yīng)的流量（30 m3/h）時(shí)，此時(shí)流量已能準(zhǔn)確測(cè)量，關(guān)閉了 FFT 模塊，兩種方案所測(cè)頻率范圍一致。

（4）當(dāng)流量大于頻率閾值對(duì)應(yīng)的流量（30 m3/h） 時(shí)，F(xiàn)FT 模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，其功耗僅 0.05mW，而當(dāng) FFT 模塊打開(kāi)時(shí)，其功耗也僅 1.2 mW，假設(shè)流量計(jì) 1/3 時(shí)間處于 FFT 模塊打開(kāi)狀態(tài)，2/3 時(shí)間處于FFT模塊關(guān)閉狀態(tài)，其平均增加功耗僅 0.44mW，實(shí)際上只要選型正確，流量計(jì)大部分時(shí)間應(yīng)工作在中大流量，F(xiàn)FT 模塊大部分時(shí)間應(yīng)為關(guān)閉狀態(tài)，所以可完全滿足微功耗系統(tǒng)的需要。

 本文提出的以硬件電路粗判流量傳感器輸出信號(hào)頻率，并按不同頻段變采樣頻率的自適應(yīng)FFT功率譜分析方法，既可解決旋進(jìn)流量計(jì)抗干擾差的缺點(diǎn)，又可有效降 低流量計(jì)的流量下限，擴(kuò)大流量范圍度，同時(shí)又可滿足流量計(jì)微功耗的需要。以 50 mm 口徑旋進(jìn)流量計(jì)為例，實(shí)驗(yàn)表明，加入 FFT 模塊后，流量計(jì)的流量下限從 8.1 m3/h 下降到 4.95 m3/h，可測(cè)量的小流量值得到明顯改 進(jìn)，同時(shí)在中小流量段，測(cè)量準(zhǔn)確可靠，基本不受干擾影響，抗振性能明顯改進(jìn)。可以預(yù)見(jiàn)，通過(guò)進(jìn)一步完善，這種方法將在旋進(jìn)流量計(jì)中得到推廣應(yīng)用，成為改進(jìn) 旋進(jìn)流量計(jì)性能的極好辦法。此外，這種信號(hào)處理方式的應(yīng)用不單局限于旋進(jìn)流量計(jì)，在旋渦進(jìn)動(dòng)流量計(jì)與射流流量計(jì)等其他振動(dòng)式流量計(jì)中也同樣適用。