一种基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流量计

摘要

本发明公开了一种基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流量计，包括：压电传感器检测流体的当前流量，输出电荷信号；信号处理装置，将电荷信号转化为电压信号，对电压信号进行放大和滤波，并将滤波后电压信号与预设参考值进行比较，输出相应的脉冲序列，同时对放大后电压信号进行快速并行ADC转换，得到采样序列发送至CPU；CPU对脉冲序列进行采集，得到频率信号转化为流体当前的瞬时流量，同时对采样序列进行简化的FFT，得到采样序列的频率特性和幅值特性，设置放大倍数和滤波频带，发送至信号处理装置。采用本发明，能够避免传统技术中采用过放大技术导致信噪比严重降低的问题，使得涡街流量计的可用量程比得到有效扩展。

说明书

技术领域

本发明涉及流体流量测量技术领域，特别是涉及一种基于简化的快速傅氏 变换FFT算法的涡街流量计。

背景技术

涡街流量计是依据卡门漩涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量 计，通过在流体中安放一个非流线型漩涡发生体，使流体在发生体两侧交替的 分离，释放出两串规则的交错排列的漩涡，且在一定范围内漩涡分离频率与流 量成正比。涡街流量计可以直接测量气体、液体、蒸汽等多种介质，具有压力 损失小，量程范围大，精度高等特点，是一种比较先进、理想的测量仪器。

参照图1，为现有典型的涡街流量计的结构图。现有涡街流量计包括：压 电传感器1a、信号处理装置、CPU(Central Processing Unit，中央处理器)2a。 其中，信号处理装置包括：前置电荷放大器3a、滤波电路4a、信号放大电路 5a、阈值比较电路6a、以及第一拨码开关组7a、第二拨码开关组8a。

压电传感器1a输出的电荷信号经所述前置电荷放大器3a转化为电压信 号，并进行前置放大；前置放大后的电压信号经所述滤波电路4a滤波，再通 过所述信号放大电路5a进行再次放大，使其幅值满足所述阈值比较电路6a的 要求；所述阈值比较电路6a的比较结果送入CPU 2a，计算得到当前的大致频 率。

现有的涡街流量计，使用拨码开关组来设置滤波电路4a的滤波带和信号 放大电路5a的放大倍数，使得在任何量程下，对应于不同的信号频率和信号 幅值，都只能使用同样的一组电路参量。这样不仅使用不方便，而且由于放大 倍数是固定的，所以无法兼顾大信号和小信号的需求，只能采用过放大的方式， 在传感器输入信号较大时，造成信号的信噪比降低，使得涡街流量计的量程较 低。例如，对于现有的涡街流量计，如果量程比希望达到30∶1，则其输入信 号的幅值将要达到900∶1。而在很多工业环境下，有效信号与噪声之间的信 噪比也仅仅只有20∶1左右。假设在某一个流量时，有效信号强度为20，噪 声信号强度为1，此时，现有的涡街流量计可以实现正常测量；但是，当流量 增加到10倍时，其有效信号强度变为200，而噪声信号强度为100，此时，采 用现有的涡街流量计时，噪声信号将被视为有效信号，导致测量误差。

因此，现有的涡街流量计无法实现较高的量程比。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于简化的快速傅氏变换FFT算 法的涡街流量计，能够避免传统技术中采用过放大技术导致信噪比严重降低的 问题，使得涡街流量计的可用量程比得到有效扩展。

本发明提供一种基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流量计，所述 涡街流量计包括：压电传感器、信号处理装置、以及CPU；

所述压电传感器，检测流体的当前流量，输出电荷信号至所述信号处理装 置；

所述信号处理装置，将接收到的电荷信号转化为电压信号；接收所述CPU 发送的放大倍数和滤波频带，根据所述放大倍数对所述电压信号进行放大，再 根据所述滤波频带对放大后的电压信号进行滤波处理，并将滤波处理后的电压 信号与预设的参考值进行比较，根据比较结果输出相应的脉冲序列至所述 CPU；同时，对放大后的电压信号进行快速并行ADC转换，并将转换后得到 的采样序列发送至所述CPU；

所述CPU，对所述脉冲序列进行采集，得到该脉冲序列的频率信号，并 转化为流体当前的瞬时流量；同时，对接收到的所述采样序列进行简化的快速 傅氏变换FFT，得到所述采样序列的频率特性和幅值特性，根据所述幅值特性， 设置放大倍数，发送至所述信号处理装置，并根据所述频率特性，设置滤波频 带，发送至所述信号处理装置。

优选地，所述信号处理装置包括：前置电荷放大器、程控放大器、数控滤 波器、阈值比较器、以及比较器阵列；

所述前置电荷放大器，将接收到的电荷信号转化为电压信号，并对所述电 压信号进行前置放大后输出至所述程控放大器；

所述程控放大器，根据接收自所述CPU的放大倍数对所述前置电荷放大 器输出的电压信号进行二次放大，使得二次放大后的电压信号满足所述阈值比 较器的要求，并将二次放大后的电压信号分别发送至所述数控滤波器和所述比 较器阵列；

所述数控滤波器，根据接收自所述CPU的滤波频带对所述二次放大后的 电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号输出至所述阈值比较器；

所述阈值比较器，将接收到的所述滤波后的电压信号与预设的参考值进行 比较，根据比较结果输出相应的脉冲序列至所述CPU；

所述比较器阵列，对接收到的所述二次放大后的电压信号进行快速并行 ADC转换，并将转换得到的采样序列直接发送至所述CPU。

优选地，所述CPU，对所述阈值比较器输出的脉冲序列进行采集，得到 该脉冲序列的频率信号，并转化为流体当前的瞬时流量；同时，对接收自所述 比较器阵列的采样序列进行简化的FFT，得到所述采样序列的频率特性和幅值 特性，根据所述幅值特性，设置放大倍数，发送至所述程控放大器，并根据所 述频率特性，设置滤波频带，发送至所述数控滤波器。

优选地，所述程控放大器为可编程增益放大器PGA。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例所述基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流量计，通 过FFT运算获取压电传感器输出信号的频率特性和幅值特性，并根据该频率 特性和幅值特性实时调整所述信号处理装置的放大倍数和滤波参数，使得压电 传感器的输出信号的幅值在一个比较固定的范围内，且能够滤除外部噪声，从 而获得良好的测量效果，有效提高了所述涡街流量计的信噪比，使得所述涡街 流量计的可用量程比得到有效扩展。

附图说明

图1为现有典型的涡街流量计的结构图；

图2为本发明实施例所述的基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流 量计的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于简化的FFT(Fast Fourier  Transformation，快速傅氏变换)算法的涡街流量计，能够避免传统技术中采 用过放大技术导致信噪比严重降低的问题，使得涡街流量计的可用量程比得到 有效扩展。

参照图2，为本发明实施例所述的基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡 街流量计的结构图。如图2所示，所述涡街流量计包括：压电传感器11、信 号处理装置、CPU 12。

所述压电传感器11，检测流体的当前流量，输出电荷信号至所述信号处 理装置。

所述信号处理装置，将接收到的电荷信号转化为电压信号；接收所述CPU

12发送的放大倍数和滤波频带，根据所述放大倍数对所述电压信号进行放 大，再根据所述滤波频带对放大后的电压信号进行滤波处理，并将滤波处理 后的电压信号与预设的参考值进行比较，根据比较结果输出相应的脉冲序列 至所述CPU 12；同时，对放大后的电压信号进行快速并行ADC (Analog-to-Digital Converter，模拟/数字转换器)转换，并将转换后得到的 采样序列发送至所述CPU 12。

所述CPU 12，对所述脉冲序列进行采集，得到该脉冲序列的频率信号， 并转化为流体当前的瞬时流量；同时，对接收到的所述采样序列进行简化的快 速傅氏变换FFT，得到所述采样序列的频率特性和幅值特性，根据所述幅值特 性，设置放大倍数，发送至所述信号处理装置，并根据所述频率特性，设置滤 波频带，发送至所述信号处理装置。

本发明实施例所述基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流量计，通 过FFT运算获取压电传感器11输出信号的频率特性和幅值特性，并根据该频 率特性和幅值特性实时调整所述信号处理装置的放大倍数和滤波参数，使得压 电传感器11的输出信号的幅值在一个比较固定的范围内，且能够滤除外部噪 声，从而获得良好的测量效果，有效提高了所述涡街流量计的信噪比，使得所 述涡街流量计的可用量程比得到有效扩展。

参照图2所示，所述信号处理装置可以包括：前置电荷放大器13、程控 放大器14、数控滤波器15、阈值比较器16、比较器阵列17。

所述前置电荷放大器13将接收到的电荷信号转化为电压信号，并对所述 电压信号进行前置放大后输出至所述程控放大器14。

所述程控放大器14，根据接收自所述CPU 12的放大倍数对所述前置电荷 放大器11输出的电压信号进行二次放大，使得二次放大后的电压信号满足所 述阈值比较器16的要求，并将二次放大后的电压信号分别发送至所述数控滤 波器15和所述比较器阵列17。

具体的，所述程控放大器14可以采用PGA(Programmable Gain Amplifier， 可编程增益放大器)来实现。

所述数控滤波器15，根据接收自所述CPU 12的滤波频带，对接收到的所 述二次放大后的电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号输出至所述阈值比 较器16。

所述阈值比较器16将接收到的所述滤波后的电压信号与预设的参考值进 行比较，根据比较结果输出相应的脉冲序列至所述CPU 12。

所述比较器阵列17，对接收到的所述二次放大后的电压信号进行快速并 行ADC转换，并将转换得到的采样序列直接发送至CPU 12进行计算。

对应的，所述CPU 12，对所述阈值比较器16输出的脉冲序列进行采集， 得到该脉冲序列的频率信号，并转化为流体当前的瞬时流量；同时，对接收自 所述比较器阵列17的采样序列进行简化的快速傅氏变换FFT，得到所述采样 序列的频率特性和幅值特性，根据所述幅值特性，设置放大倍数，发送至所述 程控放大器14，并根据所述频率特性，设置滤波频带，发送至所述数控滤波 器15。

具体的，本发明实施例中，可以采用8比较器阵列，实现对所述放大后的 电压信号的精度为3位的快速ADC转换。

需要说明的是，对所述快速ADC转换的采样速率和采样点数的设置可以 依据以下原则：首先，根据所述涡街流量计的口径、被测量的流体的介质状态， 确定所述压电传感器11输出信号的频率范围；然后，根据所述工作频率范围， 设定所述快速ADC转换的采样速率。原则上，所述快速ADC转换的采样速 率设置为不低于最大工作频率的2倍。

例如，对于口径为DN50(即为公称直径为50mm)的涡街流量计，当被 测量的流体为气体时，其工作频率范围是42～1280Hz，则所述快速ADC变换 的采样频率可以设置为2600Hz。所述快速ADC变换的采样点数为512点。按 照周期图谱分析方法的误差公式，相应的可以计算得到最恶劣情况下，拟合误 差也不大于11％。

再例如，同样是口径为DN50的涡街流量计，当被测量的流体为液体时， 其工作频率范围是6.3～190Hz，则所述快速ADC变换的采样频率可以设置为 400Hz。所述快速ADC变换的采样点数为512点。按照周期图谱分析方法的 误差公式，相应的可以计算得到最恶劣情况下，拟合误差也不大于11％。

所述CPU 12，根据接收自所述比较器阵列17的采样序列，对该采样序列 进行简化的FFT，计算得到所述采样序列的频率特性和幅值特性。

所述CPU 12对所述采样序列的幅值特性进行分析，得到经所述程控放大 器14二次放大后的电压信号的最大幅值，根据上一个采样周期内的最大幅值， 设置所述程控放大器14的放大倍数，来调整所述程控放大器14，其目的在于 使所述经程控放大器14二次放大后的电压信号在930～1320mV之间，即对应 的ADC采样值在5～7之间。

同时，所述CPU 12根据计算得到的所述采样序列的频率特性，设置所述 数控滤波器15的滤波频带。例如，假设当前的频率为200Hz，则可以设置所 述数控滤波器15的滤波频带为150～220Hz，实现对低频扰动和高频噪声进行 抑制，从而提高信噪比。

本发明实施例中，通过对程控放大器14的放大倍数和数控滤波器15的滤 波频带的动态调整，不仅使得经过调理后的信号可以满足所述阈值比较器16 的需求，同时又能够控制程控放大器14的放大倍数在适当的范围内，而不会 对噪声进行过放大，从而可以保证信号处理装置的信噪比，有效提高了所述涡 街流量计的信噪比，使得所述涡街流量计的可用量程比得到有效扩展。

需要说明的是，本发明实施例中，对流体瞬时流量测量的精度只要取决于 对所述阈值比较器16输出的脉冲序列测量的精度，而不是取决于FFT的计算 精度。因此，采用简化的FFT运算，所述FFT运算只是需要给出大致的频率 特性和幅值特性即可，并且对FFT运算的实时性要求也比较低，其存储量和 计算量都大大降低。因此，本发明实施例的FFT运算对CPU要求比较低，可 以应用低功耗的单片机实现，从而可以广泛应用于过程工业上的4～20mA应 用。

以上对本发明所提供的一种基于简化的快速傅氏变换FFT算法的涡街流 量计，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进 行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应 用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限 制。