電磁式渦街流量計測量含氣導(dǎo)電液體流量，在測量含氣導(dǎo)電液體流量時，電磁式渦街流量計利用已有的信號處理方**出現(xiàn)流量信號頻率計算錯誤的現(xiàn)象，造成較大的測量誤差。為此，提出基于信號微分和快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析的算法，放大高頻流量信號，抑制低頻氣泡噪聲干擾，使整體流量信號能量占優(yōu)，從而找到正確的流量信號頻率。研制基于DSP的電磁式渦街流量變送器系統(tǒng)。設(shè)計一套兩相流實驗流程，進(jìn)氣液兩相流實驗。實驗結(jié)果表明，當(dāng)含氣量不超過3.9%時，所研制的電磁式渦街流量變送器系統(tǒng)實時測量誤差優(yōu)于±3%，大大減小了測量含氣導(dǎo)電液體流量的誤差。

電磁式渦街流量計是一種基于卡門渦街原理和電磁感應(yīng)原理工作的流量儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單牢靠，壓力損失小，使用壽命長等諸多特點。電磁式渦街流量計采用電磁的方法檢測渦街的頻率，與渦街流量計相比，其輸出信號不受管道振動和周邊振動源干擾的影響，測量可靠性高；與電磁流量計相比，信號處理難度降低，無零點漂移。
對于單相導(dǎo)電液體流量，由于電磁式渦街流量計不受振動干擾，因此，采用基于快速傅里葉變換(FFT)的頻譜分析方法就能準(zhǔn)確測量出流量信號的頻率。對于氣液兩相流，電磁式渦街流量計要測量的是導(dǎo)電液體體積流量，而氣體是干擾量。由于氣泡噪聲的干擾，信號發(fā)生畸變，此時若仍利用單相流下的處理方法可能得不到正確的流量信號頻率，從而造成較大的測量誤差。而針對電磁式渦街流量計測量氣液兩相流這一課題，國內(nèi)外學(xué)者還未開展過研究。由于氣液兩相流廣泛存在于化工、能源動力、石油工業(yè)和食品加工等工業(yè)生產(chǎn)過程中，因此，研究氣液兩相流中含氣導(dǎo)電液體流量的準(zhǔn)確測量對工業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的意義。
為此，本文提出一種基于信號微分和FFT頻譜分析的信號處理方法，并研制基于DSP的電磁式渦街流量計變送器系統(tǒng)，實時實現(xiàn)算法。為驗證算法的有效性，設(shè)計了一套氣液兩相流實驗流程，進(jìn)行了氣液兩相流水流量測量標(biāo)定實驗。實驗結(jié)果表明，本文提出的信號處理方法實時測量誤差優(yōu)于±3%。
1、信號處理方法
1.1 信號處理原理
電磁式渦街流量計是通過檢測旋渦頻率f(單位為Hz) 來測量導(dǎo)電液體體積流量的。對于卡曼渦街而言，產(chǎn)生的漩渦頻率f與發(fā)生體兩側(cè)的平均流速之間的關(guān)系為：

式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)；v為測量管道內(nèi)流體的平均流速(單位為m/s)；d為發(fā)生體迎流面特征寬度(單位為m)；m為發(fā)生體兩側(cè)的弓形面積之和與管道的橫截面積之比。假設(shè)測量管道內(nèi)徑為D(單位為m)，測量管道內(nèi)流體的瞬時體積流量為qv(單位為m3/s)，渦街流量計的儀表系數(shù)為K(單位為m－3)，則：

當(dāng)管道雷諾數(shù)在一定的范圍內(nèi)時，儀表系數(shù)K可視為常數(shù)，可以通過標(biāo)定實驗得到。由上分析可知，電磁式渦街流量計測量含氣導(dǎo)電液體流量，前提是能夠檢測出正確的渦街頻率f，即流量信號頻率。
水流量為5.5m3/h時未注氣純水流量信號和注氣量為1.32L/min的氣液兩相流信號如圖1所示。可見，單相純水流量信號近似為規(guī)律的正弦波信號，而氣液兩相流時信號發(fā)生畸變，不再是規(guī)律的正弦波信號。對于單相純水流量，對信號進(jìn)行FFT頻譜分析，頻譜圖中幅值大點對應(yīng)的頻率即為流量信號頻率；對于氣液兩相流信號，這種方法得到的頻率可能不是正確的流量信號頻率。

圖1中兩組信號的頻譜如圖2所示。可見，利用FFT頻譜分析能得到純水流量信號的頻率，而對于氣液兩相流信號，低頻噪聲嚴(yán)重，找到的頻率并不是正確的流量信號頻率。這是因為當(dāng)水流量中含有氣泡時，氣泡會劃過電極，使電極與水流量的接觸電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電極輸出的信號產(chǎn)生低頻漂移，即產(chǎn)生低頻氣泡噪聲，且低頻漂移的信號幅值與注氣量成正相關(guān)的關(guān)系。通過對多組不同水流量下不同注氣量的流量信號的頻譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣泡噪聲有以下特點：氣泡噪聲主要為低頻噪聲，氣泡噪聲在不同注氣量下的低頻帶寬會發(fā)生變化，氣泡噪聲頻帶可能落在電磁渦街流量信號的頻率范圍內(nèi)。因此，不能設(shè)計帶通濾波器或陷波器來濾除干擾，也不能直接從頻域中提取電磁渦街流量頻率。
綜合以上分析，提出基于信號微分和FFT頻譜分析的信號處理方法，通過對氣液兩相流信號進(jìn)行微分處理，降低氣泡噪聲干擾的能量和權(quán)重，使整體電磁渦街流量信號能量占優(yōu)。假設(shè)氣液兩相流信號為x(t)，流量信號假設(shè)為正弦信號，頻率為f0，噪聲信號用noise(t)表示，則信號x(t)為：

可見，對信號微分后流量信號的頻率不變，且相對于低頻氣泡噪聲，高頻流量信號放大倍數(shù)變大，也就是說，基于信號微分的處理方法能放大高頻流量信號，抑制低頻干擾，使整體流量信號能量占優(yōu)。
本研究中對數(shù)字信號進(jìn)行處理，且每兩點之間的采樣間隔較短，故可用兩點信號幅值之差代替該點的微分。對于數(shù)字信號x(n)，其第n點的微分結(jié)果y(n)為：

對圖1中的注氣信號進(jìn)行微分處理，信號微分前后時域波形如圖3所示。可見，對信號微分后，有效地抑制了氣泡噪聲帶來的干擾。信號微分前后頻域幅值譜如圖4所示，可見，微分后使流量信號能量權(quán)重由0.4722(即0.017/0.036)上升為2.0667(即0.0031/0.0015)，從而能正確地識別出流量信號頻率為27.34Hz，與圖2所示純水流量的信號頻率27.83Hz較為接近。

在實現(xiàn)時，為了保證數(shù)據(jù)處理的實時性，點數(shù)不能太多；而為了zui大程度地還原傳感器輸出信號，采樣頻率又不能太低。因此，造成頻率分辨率較低，進(jìn)而影響測量精度。所以，在計算出頻率信息后，采用頻譜重心校正的方法改善因分辨率較低而帶來的誤差。頻譜重心校正是利用窗函數(shù)主瓣內(nèi)的譜線求主瓣中心的坐標(biāo)，得到準(zhǔn)確頻率、幅值和相位。根據(jù)主瓣函數(shù)的特點用重心法規(guī)求中心坐標(biāo)。下面對本文采用的矩形窗給出校正公式。利用矩形譜的模函數(shù)：

為了排除隨機(jī)噪聲干擾，對校正后的頻率每20點進(jìn)行排序，去除等個數(shù)的zui大值、zui小值，取中間部分的平均值作為當(dāng)前頻率輸出值。為了使輸出的頻率值更為穩(wěn)定，可以再對輸出的頻率值進(jìn)行滑動平均濾波。
1.2 數(shù)據(jù)分析對比
對采集的6.5、5.5、4.5、3.5m3/h四個流量點下不同注氣量的信號進(jìn)行離線處理，每組數(shù)據(jù)利用兩種信號處理方法得到的流量信號頻率如表1所列。方法1，對信號進(jìn)行FFT頻譜分析，得出流量信號頻率，再進(jìn)行頻譜校正、中位值濾波和滑動平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率；方法2，先對信號微分，再進(jìn)行FFT頻譜分析，得出流量信號頻率，zui后進(jìn)行頻率校正、中位值濾波和滑動平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率。可見，在含氣量較大時，方法2計算出來的流量信號頻率明顯比方法1準(zhǔn)確。