强管道振动下涡街流量计的信号建模与处理方法

摘要

涡街流量计由于结构简单、使用寿命长、能够测量多种介质等优点，被广泛应用于电力行业等工业过程中的流量测量。但是，基于流体振动原理工作的涡街流量传感器对管道振动非常敏感，而在实际工况下，管道振动是普遍存在的。管道振动干扰可分为周期性正弦振动干扰和瞬态冲击振动干扰。当振动干扰的能量超过涡街流量信号的能量时，常规的数字信号处理方法就无法排除该干扰，这将严重影响到涡街流量计测量的准确性。因此，为了增强涡街流量计在复杂工况下测量的可靠性，研究其抗强振动干扰方法具有非常重要的意义。
　　针对周期振动干扰，基于涡街流量传感器输出信号的实验数据，通过滤波和提取峰值，对信号幅值和频率的波动特性进行分析和对比。通过概率密度分析和周期差分序列分析，提取波动特征规律。根据幅值调制和频率调制的特性，建立了涡街流量信号、周期振动干扰和同频信号的数学模型，并研究了模型参数与信号频率的规律。通过误差分析，验证了这三类信号模型的有效性，进而验证了信号幅值和频率波动特性分析的可靠性，为基于频率方差的抗周期振动干扰方法奠定了理论基础。
　　在基于频率方差的抗周期振动干扰方法中，高精度的频率估计是保证其可靠性的关键。为了提高频率估计方法的抗噪性能，针对涡街流量传感器输出信号中常叠加的白噪声干扰，基于傅里叶系数，提出一种双向校正结合加权平均的频率加权修正方法(RWBWFCR)。给出该方法的校正原理;分析不同初始相位、不同频率偏移量、不同FFT点数和不同信噪比对该频率校正方法的影响;推导并验证含平稳高斯白噪声时该频率估计方法的理论精度。该方法运算量少、占用存储空间小、校正精度高、抗干扰能力强。将该方法应用于基于频率方差的抗强周期振动型单传感器涡街流量计中解决谐波干扰的问题，实验结果表明，RWBWFCR方法提高了基于频率估计的数字信号处理方法的可靠性。
　　针对瞬态冲击干扰，设计瞬态冲击振动实验方案，进行大量的实验。基于实验数据，分析瞬态冲击振动干扰时涡街流量传感器输出信号的时频域特征，提取瞬态冲击振动干扰幅值先突变、后振荡衰减的弹性振荡规律。用多组单自由度有阻尼弹性系统的线性组合模型来表征瞬态冲击，并通过模型验证说明瞬态冲击振动干扰的数学模型和其弹性振荡规律的可靠性，为抗强瞬态冲击振动干扰的研究奠定了基础。
　　为了消除瞬态冲击干扰，基于瞬态冲击的弹性振荡规律，研究了查找包含瞬态冲击的数据段的方法。针对这些数据段，提出基于分段卡尔曼滤波的数字信号处理方法来降低瞬态冲击的能量，从而使涡街流量信号的整体能量占优，再通过频谱分析从含噪信号中提取流量信息。基于低功耗单片机搭建涡街流量计抗强瞬态冲击干扰数字信号处理系统，并实时实现该数字信号处理方法，然后进行抗强瞬态冲击振动干扰气流量和水流量的验证实验，验证该算法和系统的有效性和可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 综述

1．1 课题研究背景和意义

1．2 管道振动分析

1．3 国内外现状

1．3．1 抗强周期振动干扰的研究现状

1．3．2 抗强瞬态冲击干扰的研究现状

1．4 课题来源和主要研究内容

第二章 强周期振动干扰下涡街流量传感器输出信号模型

2．1 涡街流量传感器输出信号预处理

2．2 涡街流量信号的数学模型

2．2．1 概率密度估计

2．2．2 AM-FM模型

2．2．3 模型验证

2．2．4 参数规律

2．3 周期振动干扰的数学模型

2．3．1 概率密度估计

2．3．2 AM模型及验证

2．3．3 参数规律

2．4 同频信号的数学模型

2．4．1 幅值序列分析

2．4．2 ARMA模型

2．4．3 AM模型及验证

2．5 本章小结

第三章 基于双向校正结合加权平均的频率校正方法

3．1 RWBWFCR方法的原理分析

3．2 无噪声时RWBWFCR方法的特性分析

3．3 有噪声时RWBWFCR方法的精度分析

3．3．1 RWBWFCR方法频率校正精度的理论分析

3．3．2 不同校正方法对含噪信号校正精度的对比分析

3．4 RWBWFCR方法在抗强周期振动型涡街流量计中的应用

3．4．1 采用不同校正方法时频率方差的对比

3．4．2 基于RWBWFCR方法的抗强周期振动干扰实验

3．5 本章小结

第四章 强瞬态冲击干扰下涡街流量传感器输出信号模型

4．1 瞬态冲击振动实验平台

4．2 瞬态冲击振动的时频分析

4．3 瞬态冲击振动的数学模型

4．4 数学模型的验证

4．5 本章小结

第五章 基于卡尔曼滤波的抗强瞬态冲击干扰方法

5．1 查找瞬态冲击数据段

5．2 卡尔曼滤波器参数配置

5．3 分段卡尔曼滤波方法

5．4 抗强瞬态冲击振动干扰方法的低功耗实现

5．4．1 硬件系统

5．4．2 软件系统

5．5 抗强瞬态冲击振动干扰方法的验证实验

5．5．1 空气流量验证实验

5．5．2 水流量验证实验

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况

附录