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具有通信功能的数字式两线制涡街流量计国内外

具有通信功能的数字式两线制涡街流量计国内外研究现状
        传统型涡街流量计大多采用基于电荷放大、低通滤波、电压放大、整形和脉冲计数的模拟信号处理方法来计算涡街频率,采用这种模拟信号处理方法的涡街流量计,其测量精度和抗干扰能力较差、量程范围较小。:。世纪90年代以来,随着微控制器技术和数字信号处理技术的高速发展,涡街流量计在信号处理方面开始向数字信号处理方向发展,从常规的基于放大、整形、计数的模拟信号处理方法,向基于FFT(快速傅立叶变换)的数字频谱分析方向发展。国内外专家、学者以及生产涡街流量计的厂家进行了大量的实验研究工作,采取各种措施、提出了多种数字信号处理方法,并取得了较好的效果,促进了涡街流量计的发展。
        1990年,Barrett D.W等人通过对涡街流量计在正常工作条件下的噪声特征进行研究,提出建立信号模板和噪声模板,并通过频域变换以及互相关分析方法来消除涡街流量信号中的强噪声。
        1993年,Amadi-Echendu J.E等人对涡街流量计处在不同的工作环境时,环境噪声对涡街频率的影响进行了研究,分别采集了当现场存在离心式水泵、容积式泵以及震动电机工作时,涡街流量传感器的输出信号,并采用基于FFT的数字频谱分析方法对采集的信号进行处理,计算涡街频率,大大提高了涡街流量计的测量精度和抗干扰能力。
        2002年,Clark D.W等人提出采用外差法和希尔伯特变换相敏检波器的双数字锁相环设计方法,可以估计信噪比较低的正弦波信号的频率。Clark D.W等人将该方法应用于涡街流量计进行信号处理,用来提高涡街流量计的抗干扰能力、降低量程下限。
        国外的一些生产涡街流量计的厂家对涡街流量计数字信号处理新技术也进行了大量的实验研究。例如,Rosement公司采用数字跟踪滤波器来滤除涡街流量信号中的噪声 , Foxbor。公司将自适应滤波技术应用于涡街流量计进行数字信号处理,以提高涡街流量计的测量精度。
        哈尔滨工业大学的龚振起等提出一种基于快速递归最小二乘法的AR模型参数估计方法,从含有噪声的信号中提取流量信息。测试结果表明,该方法明显提高了涡街流量计的抗振动干扰能力[[16]0
        合肥工业大学DSP实验室自20世纪九十年代开始,对涡街流量计数字信号处理技术进行了大量的研究,先后将基于FFT的周期图谱分析法、基于Burg算法的最大嫡谱法、自适应陷波滤波法、连续小波变换法、时域方差法等算法用于涡街流量计进行数字信号处理,并研制了多种以DSP控制器为核心的数字式涡街流量计。
        然而,涡街流量计为过程控制仪表,有两线制、4mA电流的限制,而DSP控制器的功耗较大。因此,以DSP控制器为核心的数字式涡街流量计无法满足过程控制仪表对系统消耗电流需低于4mA的要求。为此,在涡街流量计的低功耗实现方面,国内外专家、学者以及生产涡街流量计的厂家也进行了大量的实验研究工作。
        日本横河公司(Yokogawa)采用SSP(频率信号处理)技术成功研制出两线制4-2OmA涡街流量计,满足了过程控制仪表对低功耗的要求。但是,在硬件电路中加入了频谱分析器,增加了硬件成本,并且在计算涡街流量信号的频率时,仍然采用传统的放大、整形和脉冲计数的模拟信号处理方法。
        美国Racine Federated公司将超声波技术用于涡街流量计进行涡街流量信号的频率测量,虽然实现了两线制、4-2OmA电流输出。但是,由于采用了超声波技术,超声波传感器的价格昂贵,成本太高。
        合肥工业大学DSP实验室采用MSP430低功耗单片机,研制出数字式两线制涡街流量计。采用基于FFT的周期图谱分析方法计算涡街流量传感器输出信号的幅值谱。同时,对计算得到的幅值谱进行幅值和频率校正,提高频率计算精度。采用汇编语言编写FFT程序,提高程序的执行速度,满足了现场实时性要求。但是,没有引入通信功能,应用范围受到一定的限制。
        重庆大学自动化学院的李建平以低功耗单片机MSP430F5438为核心,研制了基于HART总线的智能型涡街流量计。在两线制仪表的基础上,引入了HART通信功能。但是,为了节省功耗,以满足过程控制仪表的低功耗要求,仍然采用的是传统的放大、整形和脉冲计数的模拟信号处理方法。
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