1.壓電傳感器輸出的電荷信號QH滿足正弦規(guī)律,如式(1)所示
QH=γρƒ2sin(2πƒt+φa) (1)
式中:γ為壓電傳感器的系數(shù),ρ為流體密度,ƒ為渦街頻率,φa為初始相位。
2.在渦街流量計中,電荷放大器一般用于將傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號是待處理的原始信號,和電荷信號一樣為正弦波形式。當(dāng)流體密度和發(fā)生體的寬度為固定值時，渦街信號的幅值與頻率的平方成正比,如式(2)所示
α∞ƒ2(2)
式中:α為渦街信號的幅值。
由于渦街流量計的傳感器屬于振動型傳感器,很容易受到振動干擾，這對渦街流量計的測量精度和測量范圍有很大的影響。由于渦街信號的幅值與頻率的平方成正比，在高流速下信號的信噪比大,信號受噪聲影響小;在低流速下信號的信噪比小,信號受噪聲影響大,增加了信號檢測的難度。國內(nèi)外眾多學(xué)者對這一問題進行了研究(2-3]。近年來，卡爾曼濾波方法也開始被應(yīng)用在渦街流量計的信號處理中。
卡爾曼濾波是科學(xué)家R.E.Kalman等在1960年提出的一種適用于離散隨機非平穩(wěn)系統(tǒng)的最優(yōu)估計算法。它基于線性離散系統(tǒng),將最優(yōu)濾波理論與狀態(tài)空間思想相結(jié)合。宋開臣等[4]針對壓電式渦街流量計抗干擾性差的缺點,提出了基于多傳感器融合的渦街信號檢測方法。該方法通過無跡卡爾曼濾波算法將壓差傳感器測量的鈍體前后壓差和其下游的渦街信號頻率進行融合,增強了壓電式渦街流量計的抗振能力,有效提高了數(shù)字帶通濾波器的測量精度。Shao等[5]針對渦街流量計提出了一種基于分段卡爾曼濾波的數(shù)字信號處理方法。該方法首先分析瞬態(tài)沖擊的特性,建立數(shù)學(xué)模型,然后在流量信號數(shù)據(jù)中找到含有強瞬態(tài)沖擊的數(shù)據(jù)段,并對數(shù)據(jù)段進行卡爾曼濾波,以降低瞬態(tài)沖擊的功率。
本文提出了一種基于渦街流量計信號模型的卡爾曼濾波的信號處理方法(以下簡稱“本方法")。首先,根據(jù)微分原理和線性矩陣對非線性的渦街信號進行線性化處理并建立模型;其次,根據(jù)渦街信號的幅頻關(guān)系,初始化渦街信號模型頻率;再次,將濾波后的輸出頻率作為下一個循環(huán)的初始渦街模型頻率進行迭代和模糊搜索,直到輸出頻率與模型頻率的誤差在渦街流量計允許的誤差范圍內(nèi)為止;最后,通過仿真實驗和實流實驗對該方法進行了驗證。 |
