FFT周期圖法在流速測量系統(tǒng)中的應用

劉　駿，周孟然，羅　倩，閆鵬程，彭皆彩

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

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FFT周期圖法在流速測量系統(tǒng)中的應用

劉駿，周孟然，羅倩，閆鵬程，彭皆彩

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

摘要：針對測量水體流量的一般方法存在精度不夠和抗干擾性能差等問題，以數(shù)字信號處理器為主控制器，結合快速傅里葉變換周期圖法搭建突水流速測量系統(tǒng)。試驗結果表明：該方法不僅能夠擴大測量的量程，降低流量下限測量值，而且可提高測量精度，增加抗噪音干擾性能。

關鍵詞：快速傅里葉變換；周期圖法；渦街流量計；流速測量；數(shù)字信號處理器

0引言

煤礦開采中礦井突水[1-2]一直是煤礦安全生產的極大隱患，了解突水水源的一些特征，對礦井安全生產具有重要的參考價值。水體流量流速是礦井水源的一項重要指標。渦街流量傳感器可測量卡門渦街釋放的頻率，通過頻率與流速之間的關系求出流速，但實際的測量現(xiàn)場存在管道振動等引起的多種噪音，同時復雜的井下環(huán)境，導致測量精度受影響。當流體流速低時，信號很微弱，無法正常檢測，導致測量下限值有限，測量范圍不足。目前，主要測量方法有：基于Burg算法的現(xiàn)代譜估計法[3]、松弛焰波法[4]和小波分析法[5]等，但多數(shù)方法存在采樣點過多、計算繁瑣、實時性差以及系統(tǒng)的可靠性不足等缺點。

本文提出了一種基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)的周期圖法，結合TMS320F28335浮點數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)建立渦街流量計流速的測量系統(tǒng)。此方法由幅值的大小求得渦街信號頻率，比較直觀且易于編程實現(xiàn)，改善了量程比，并且在復雜的現(xiàn)場環(huán)境干擾下對隨機噪聲有很強的抑制能力[6-7]。

1FFT周期圖法

(1)

(2)

FFT算法在頻譜分析中起著重要作用，采用基2按時間抽取算法，在基2的N點FFT下需要計算(N/2)log2N次的復乘以及Nlog2N次的復加計算，此算法極大地簡化了計算。FFT周期圖法是周期圖法利用快速傅里葉變換對有限時間序列計算功率譜，根據(jù)幅值的大小獲得渦街信號的頻率[9]。

圖1　系統(tǒng)整體結構圖

2系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)主控芯片采用了美國德州儀器公司生產的TMS320F28335浮點DSP，其處理速度高達150 MHz，能夠處理32位浮點數(shù)據(jù)，片內擁有16通道的數(shù)模轉換器(digital to analog converter，DAC)，精度達到12位，不僅有18路的脈寬調變(pulse-width modulation，PWM)波形輸出，還具有之前系列不具備的6路高分辨率脈寬調制(high resolution pulse width modulation,HRPWM)輸出，性能平均提高一半以上。在做FFT復雜運算時采用此DSP，其穩(wěn)定性和速度可提高一倍。本設計采用雙通道處理模式，在正常值時通過方波處理通道(CAP)即可，在微小流量信號下，信噪比較小時所測量的渦街信號容易受影響，此時自動切到正弦處理通道。系統(tǒng)的結構設計如圖1所示。由圖1可知：當渦街信號經(jīng)壓電傳感器接收后，可得到具有噪音的微弱電信號(mV級)。此時，經(jīng)過電荷放大、低通濾波、限幅濾波以及施密特整形進行處理，產生正弦電荷信號，將其變成和流量成正比的脈沖信號。接著通過模數(shù)轉換(analog/digital,A/D)模塊處理傳至DSP中計算脈沖頻率，DSP處理過的數(shù)據(jù)由通用同步異步收發(fā)器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)經(jīng)RS232總線送入上位機。處理器計算后脈沖由通用定時器(TIMER)輸出，其中鍵盤輸入整型數(shù)據(jù)(INT)對控制電路進行實時操作，DSP經(jīng)通用輸入/輸出(general purpose input/output,GPIO)向液晶顯示屏(liquid crystal display,LCD)傳輸數(shù)據(jù)，對信號頻率實時監(jiān)控。電源模塊起到供電作用[10-11]。

3系統(tǒng)硬件電路

3.1壓電傳感器

本設計研究的是應力式渦街流量計，其內部傳感器為壓電元件，采用冠一科儀公司生產的型號為2300C6的電荷型壓電式壓力傳感器，對渦街信號進行應力檢測。傳感器性能指標見表1。

表1　壓電式壓力傳感器性能指標

圖2　電荷放大器電路

3.2電荷放大器電路設計

采用美國德州儀器公司的單電源供電、低電壓、低消耗和低噪音的TLV2262型運算放大器。由于需要把很小的電荷信號轉變成電壓信號，在設計時需采用電容負反饋的積分放大電路，使其具有很高的輸入阻抗以及很小的偏置電流。偏置電流達到1 pA，阻抗值為1012Ω，同時工作溫度為-40～25 ℃，能夠適應比較惡劣的環(huán)境。電荷放大器電路如圖2所示。

圖2中：VCC為供電電源；R1為上拉電阻；C1、C2為濾波電容；Cf為反饋電容；Rf為反饋電阻；Vin為輸入電壓；Vout為輸出電壓；V1為比較電壓；GND為接地；U1為運算放大器，型號為TLV2262。

3.3低通濾波器電路設計

本設計采用了二階低通濾波器，目的是消除在高頻時的干擾噪音。在設計時，其截止頻率由渦街流量計自身特性以及測量物質決定。為加強電路使用的廣泛性，濾波器的截止頻率在2 kHz左右，電路圖如圖3所示。

圖3　低通濾波器電路

圖3中：VCC為供電電源；C1為濾波電容；Cf為反饋電容；R1、R2為分壓電阻；Vin為輸入電壓；Vout為輸出電壓；GND為接地；U1為電壓放大器，型號為LM324。

3.4施密特整形電路設計

電荷信號經(jīng)放大和濾波作用后分為兩路傳輸，其中一路經(jīng)TMS320F28335 DSP的A/D轉換模塊，對后面的信號作FFT譜分析，計算出信號的頻率；另外一路信號經(jīng)限幅濾波器濾波后傳給施密特整形電路，經(jīng)整形電路處理將正弦電壓信號變成同樣頻率的脈沖信號，對DSP處理進行預判。施密特整形電路所需電壓不同，可將渦街信號整形，對剩余的噪音進行濾除，增加其抗干擾能力。施密特整形電路如圖4所示。

圖4　施密特整形電路

圖4中：VCC為供電電源；R5、R9為上拉電阻；CON3為3腳插針；AINS、BINS分別為A電路電壓輸入和B電路電壓輸入；AIN、BIN分別為A電路輸出和B電路輸出；R3、R4、R7、R8為分壓電阻；R6為電壓調節(jié)電阻；GND為接地；U1、U2為電壓放大器，型號為LM339；J1為接口器件。

圖4中采用高轉換速度和低功耗的LM339電壓比較器，其電阻和電壓構成方波的整形電路，經(jīng)過此電路后將信號轉為方波信號，同時濾除噪音干擾。LM339具有失調電壓小、共模范圍大、差動輸入電壓范圍廣以及可靈活選用輸出端電位等優(yōu)點[12]。

3.5渦街流量計安裝

根據(jù)實時礦井測量，突水水體流量范圍為0～70 m3/h。為滿足測量需要，選用口徑為65 mm(DN65)，此時方向標到法蘭盤之間的距離為73 cm。在礦井安裝位置的選擇條件：傳感器上游和下游有足夠的直管段且檢修閥安裝在傳感器上游，流量調節(jié)閥安裝在傳感器下游；盡量選擇無管道振動或振動小、維修安裝便捷以及周圍環(huán)境干燥的位置；放大器盒外電纜需彎成U型，周圍遠離電噪音，如變壓器等。

4測試結果分析

在淮南某礦區(qū)模擬突水時，使用渦街流量計進行水體流量測試試驗，其口徑為65 mm(DN65)，設定6個流量點依次進行測試。流量從正常范圍由大到小進行測量，不斷降低流量測量的最低值，測量時每個點進行2次重復，以保證測量的準確性。用速度式流量計規(guī)定的公式計算平均儀表系數(shù)以及線性度。本設計可測得低流速的渦街信號，最低可測頻率為2.8 Hz(流量為1.0 m3/h ，流速為0.15 m/s)。FFT周期圖法測量礦井突水流量數(shù)據(jù)見表2。

由表2測試數(shù)據(jù)可知：FFT周期圖法在對礦井突水流量的研究中能夠實現(xiàn)實時測量。對6個流量設定點的流量以及頻率的測量結果顯示：可測的流量下限較小，從而量程比加大到60∶1;重復率隨著頻率的增大而降低，在極限頻率測量時重復率為0.263 8%，基本滿足測量要求;同時線性度優(yōu)良，符合系統(tǒng)測量要求。

表2　FFT周期圖法測量礦井突水流量數(shù)據(jù)

表3　渦街頻率對比　Hz

同樣，用一般的處理方法對突水流量測得一組渦街頻率為f2，同時用本文設計方法也測得一組數(shù)據(jù)為f1，將兩組數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)f0進行對比，結果見表3。對表3的數(shù)據(jù)進行對比分析可知：一般的處理方法測出的值與真實值誤差較大，同時在低頻方面無法進行測量，故對微弱的渦街信號就會喪失測量能力；而采用本文設計方法測量時，不僅能夠在測量數(shù)值上更接近真實值，測量準確度更高，而且能夠在微弱渦街信號的測量中發(fā)揮測量作用。圖5為系統(tǒng)采樣的微弱電壓信號(mV級)，圖6為運用FFT周期圖法測1.0 m3/h流量時的功率譜圖。

圖5 系統(tǒng)采樣電壓信號圖6 FFT周期圖法測1.0m3/h流量時的功率譜圖

5結論

本系統(tǒng)由TMS320F28335浮點DSP控制并結合FFT周期圖法對流體流量進行測量分析。本設計在測量量程以及下限值方面有所改進，同時提高了測量精度和系統(tǒng)的抗干擾性，使系統(tǒng)整體性能得到很大提高，在礦井突水預防方面具有很大的實際運用價值。

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中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-11-24

作者簡介：劉駿(1990-),男,安徽蕪湖人,碩士生;周孟然(1965-),男,安徽淮南人,教授,博士,博士生導師,主要從事礦山機電設備的智能監(jiān)測和煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控等方面的研究.

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2013BAK06B01)

文章編號：1672-6871(2016)03-0033-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.008