基于DSP的渦街流量計小波去噪研究平臺

目前的渦街流量計普遍采用單片機系統，隨著(zhù)信號處理算法復雜程度的提高，單片機的運行速度和性能已開(kāi)始成為阻礙渦街流量計性能提升的瓶頸。由于DSP處理器具有強大的數據處理能力和快速處理速度，同時(shí)DSP有較強的硬件和軟件支持，使得其對渦街流量計智能設計有著(zhù)強大的資源支持。因此，智能儀表控制多采用DSP芯片處理器以滿(mǎn)足對復雜數據處理的能力。本文通過(guò)所開(kāi)發(fā)的DSP研究平臺為研究各種復雜算法數字信號處理技術(shù)在渦街流量計中的應用提供一種便利的研究工具。

1 渦街流量計信號特點(diǎn)與分析

一臺渦街流量計有三個(gè)組成部分：渦街產(chǎn)生、渦街信號檢測和渦街信號處理。如圖1。

圖1 渦街流量計信號處理流程

信號經(jīng)過(guò)前置放大器的轉換，把輸入的電荷量轉化為了電壓量，此電壓量正比于輸入電荷量，該電壓量即為我們需要處理的信號。

信號的頻率等于渦街的頻率，流量與該頻率量成正比，即：

Qν＝f/K   （1）

其中，Qν為體積流量；f為旋渦頻率；K為儀表系數。

當流體的密度恒定時(shí)，信號的幅值與流速的平方有如下關(guān)系：

    （2）

其中，A為信號的幅值；為常數，與管徑和流體性質(zhì)有關(guān)。

因此，在小流量工況下，由于信號頻率的降低，導致信號幅值的衰減很大。

2 DSP研究平臺設計

本系統的研究平臺包括信號調理電路，AD轉換電路，及其與上位機通信接口。

本文主要研究?jì)热菔菍?shí)現應力式渦街流量計信號采集，保存及處理等功能，這里主要介紹實(shí)現將微弱的電荷量轉換成與AD轉換器相符合的電壓信號的硬件組成電路，即信號調理電路。信號調理電路包括電荷放大器，低通濾波器，電壓放大器和電壓偏置電路四部分。

2.1 電荷放大器

應力式傳感器采用壓電元件，在外力作用下，通過(guò)壓電元件表面產(chǎn)生電荷來(lái)測量非電量。壓電晶體的輸出是十分微弱的電荷信號，需經(jīng)過(guò)電荷放大電路，將壓電傳感器的電荷信號轉換為電壓量，做為后續信號處理的輸入量。本文在輸入級預置一個(gè)雙端差動(dòng)電荷放大電路以提高其共模抑制能力。如圖2。

圖2 電荷放大電路

2.2 低通濾波電路

模擬低通濾波電路可以依靠抑制低頻信號或者衰減高頻信號的電路來(lái)濾除所需頻帶以上的信號，從而提高信噪比，從圖3可以看出，Butterworth低通濾波電路具有增益較為平坦且線(xiàn)性相位特性良好，因此本文選擇Butterworth低通濾波電路。

圖3 濾波器幅頻響應比較

因為本文僅對低流速時(shí)渦街信號進(jìn)行測量，其頻率范圍在5～30Hz內，所以在設計該濾波器通帶衰減-3db，截止頻率為100Hz時(shí)可以滿(mǎn)足濾除部分高頻噪聲的要求。其中運放采用差動(dòng)輸入四運算放大器LM324器件，±5V電源供電，如圖4所示。

圖4 低通濾波電路

2.3 電壓放大電路

由于渦街信號經(jīng)過(guò)電荷放大器轉換為電壓信號后幅值較小，信號采集精確度太低。往往需要加入電壓放大電路對渦街信號提供足夠的增益，以提高信號處理的精度。電路如圖5所示。

圖5 電壓放大電路

2.4 電壓偏置電路

采用的AD芯片的采樣輸入范圍為0～5V，通過(guò)設計偏置電路，在原有信號的基礎上加入偏置電壓，使信號調理到適合AD采樣電路采樣的范圍，如圖6所示。

圖6 電壓偏置電路

3 實(shí)驗研究與結果分析

3.1 實(shí)驗數據采集

本文通過(guò)所設計的DSP平臺采集頻率為8Hz、15Hz和30Hz的渦街信號并保存其中，得到三組渦街信號數據，如圖7所示。

圖7 采樣頻率為1kHz的不同頻率采樣信號

3.2 實(shí)驗數據處理

根據小波閾值去噪原理，將三組數據分別導入Matlab中進(jìn)行去噪處理，處理結果如圖8所示。

圖8 不同頻率信號小波去噪后信號圖

分別對去噪后信號進(jìn)行FFT變換，橫坐標為頻率，縱坐標為幅值，如圖9所示。

圖9 不同頻率信號FFT變換圖

3.3 實(shí)驗數據分析

在A(yíng)＝·f²中，由于的值與儀表系數，管道口徑，流體性質(zhì)等因素有關(guān)，不同的應用場(chǎng)合會(huì )有不同的數值。通過(guò)對不同流速進(jìn)行多次采樣，計算出不同頻率下對應的幅值，繪制出幅頻特性曲線(xiàn)，如圖10。查出不同頻率下信號調理電路的放大倍數，得出從壓電傳感器輸出的實(shí)際信號幅值，經(jīng)過(guò)多組數據的計算，得出的平均值，為6.2×10^-6。從而得出幅值A與頻率f曲線(xiàn)，如圖11。

圖10 系數測量值

圖11 頻率f與幅值A曲線(xiàn)圖

觀(guān)察8Hz渦街信號對應的FFT變換的結果，信號中有6Hz左右的頻率信號。根據幅頻關(guān)系可知6Hz頻率實(shí)際信號幅值應在0.2mV左右，但是觀(guān)察6Hz頻率現在對應的信號幅值為0.3mV，可以判斷此頻率為6Hz的信號為噪聲干擾。利用此方法，依次排除其他噪聲干擾，確定實(shí)際信號頻率。

根據信號調理電路幅頻曲線(xiàn)可知8Hz、15Hz和30Hz信號在濾波器的通帶，此時(shí)的信號經(jīng)過(guò)信號調理電路放大225倍。根據FFT變換后的結果可知實(shí)際信號頻率8Hz、15Hz和30Hz去噪后信號幅值分別為0.1V、0.35V和1.2V，從而得出壓電傳感器輸出信號幅值為0.44mV、1.56mV和5.33mV。為了得到精確的實(shí)際信號頻率，取校驗頻率為8Hz的數據為例，其信號幅值為0.44mV，代入A=·f²，得到此時(shí)信號頻率為8.452Hz。同理分析校驗信號為15Hz和30Hz的處理后信號，如表1所示。

表1 分析結果

由表1的結果可知該分析方法測量誤差在可接受范圍內，并且隨著(zhù)流速的增加，信號頻率變大，去噪算法的測量誤差變小。由此可知該DSP平臺可以應用于渦街流量計的低流速測量信號的去噪分析中。