一种基于外差式随机共振的涡街频率检测方法

摘要

本发明公开了一种基于外差式随机共振的涡街频率检测方法，该方法将涡街信号输入外差式随机共振系统，连续调节载波信号的频率，分析系统输出信号的功率谱及其功率谱倒数，共振谱峰随频率将出现特征极为明显的变化过程，从而可以方便准确的捕捉到共振谱峰所在频率，即涡街信号频率，该方法有效地提高涡街信号信噪比，为提高涡街流量计现场适应性及小流量弱涡街信号频率检测提供了一种新的方法。

权利要求

1.一种基于外差式随机共振的涡街频率检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将涡街信号输入混频器，经外差法而产生高、低两种不同的频率成分：将涡街频率为f0的涡街流量计输出信号与频率为fc的载波信号发生器输出信号在混频器中相乘，获得频率为fc±f0的两个信号，其中和频fc+f0为高频，而差频Δf＝fc-f0是低频；

2)混频器的输出信号再作用到随机共振系统，分析随机共振系统输出信号的功率谱图：输入至非线性双稳系统的和频信号与差频信号，当差频Δf＝fc-f0频率较低时，容易在非线性双稳系统中形成随机共振的低频信号，输出信号的信噪比明显提高，信号功率谱幅值也放大，和频fc+f0通过非线性双稳系统将衰减；

3)连续调节载波信号的频率，根据随机共振系统输出信号的功率谱图及其功率谱倒数图，捕捉特征频率，确定涡街信号频率：通过连续调节载波信号发生器输出信号的频率fc，差频Δf＝fc-f0的频率随之而变，非线性双稳系统输出信号的差频共振谱峰出现从急剧增大、突然消失再到急剧增大的变化过程，其中，突然消失的谱峰对应的输出频率即为涡街频率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡街信号处理方法，特别地，涉及一种在涡街流量计中使用的基于外差式随机共振的涡街频率检测方法。

背景技术

涡街流量计是基于卡门涡街原理而设计的一种流量计，自20世纪70年代以来得到了迅速发展，目前已广泛用于气体、液体和蒸汽流量的测量。涡街流量计在本质上属于流体振动型流量计，因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度，影响测量下限。在涡街信号处理方面，利用现代信号处理方法对涡街流量计信号进行处理，从含有噪声的信号中准确提取涡街频率，以提高测量精度，是当前涡街流量计的研究热点之一。采用的方法大多利用信号与噪声特性上的差异，通过数学变换方法来削弱噪声，提取有用信号，不存在噪声与信号能量转换的物理机制，因而难以放大强噪声中的弱信号。其次，涡街流量计的输出信号由两部分组成：一是由管道中流体流过涡街发生体产生的正弦涡街信号；二是由各种干扰引起的噪声信号，如管道振动，湍流脉动，及工业现场其他设备的干扰等。所有这些噪声都会引起现场测量信号信噪比降低，当干扰严重或在小流量测量时，甚至无法正确测得涡街频率，影响了涡街流量计的正常使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于外差式随机共振的涡街频率检测方法。
本发明的的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于外差式随机共振的涡街频率检测方法，包括如下步骤：
1)将涡街信号输入混频器，经外差法而产生高、低两种不同的频率成分；
2)混频器的输出信号再作用到随机共振系统，分析随机共振系统输出的功率谱；
3)连续调节载波信号的频率，根据随机共振系统输出信号的功率谱图及其功率谱倒数图，捕捉特征频率，确定涡街信号频率。
本发明的有益的效果在于：
(1)通过连续调节载波信号的频率，系统输出涡街信号的共振谱峰将出现特征极为明显的变化过程，从而可以方便准确的测得涡街频率。
(2)含噪的涡街信号通过随机共振能有效放大涡街信号，提高涡街信号的信噪比，准确地获取涡街频率。
(3)该方法可提高涡街流量计现场适应性，并为小流量弱涡街信号频率检测提供了一种新的方法。
(4)该方法也适用于其它领域涉及强噪声中的微弱信号检测，可拓宽随机共振的应用，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明外差式随机共振频率检测原理框图；
图2为采集流量为3.43m3/h(小流量)涡街信号时域波形图；
图3为采集流量为11.58m3/h(大流量)涡街信号时域波形图；
图4为小流量信号经外差式随机共振系统后低频部分功率谱图；
图5为外差式随机共振输出功率谱随载波信号频率变化曲线图；
图6为外差式随机共振输出功率谱倒数随载波信号频率变化曲线图。

具体实施方式

本发明的基于外差式随机共振的涡街频率检测方法，包括如下步骤：
一、将涡街信号输入混频器，经外差法而产生高、低两种不同的频率成分。
将涡街频率为f0的涡街流量计输出信号与频率为fc的载波信号发生器输出信号在混频器中相乘，获得频率为fc±f0的两个信号，其中和频fc+f0为高频，而差频Δf＝fc-f0是低频。
二、混频器的输出信号再作用到随机共振系统，分析随机共振系统输出的功率谱。
输入至非线性双稳系统的和频信号与差频信号，当差频信号Δf＝fc-f0频率较低时，容易在双稳系统中形成随机共振，输出信号的信噪比明显提高，信号功率谱幅值也放大，和频信号fc+f0通过双稳系统将衰减。
三、连续调节载波信号的频率，根据随机共振系统输出信号的功率谱图及其功率谱倒数图，捕捉特征频率，确定涡街信号频率。
通过连续调节载波信号发生器的输出频率fc，差频信号Δf＝fc-f0的频率随之而变，非线性双稳系统输出信号的差频共振谱峰将出现从小到大又突然消失等变化过程，据此可准确测定涡街信号的频率。
具体来说，整个检测方法主要由载波信号发生器、混频器、非线性双稳系统三大块组成，其原理框图如图1所示。载波信号发生器的作用是产生频率fc可变的载波信号，混频器用来实现外差法，即将待求频率的涡街信号作为输入信号在混频器中与已知频率为fc的载波信号相乘从而获得差频与和频两种频率信号；假设涡街频率为f0，则混频器输出的是频率为fc-f0和fc+f0的两个信号。只有当差频信号的频率较低，即fc-f0＝Δf＜＜1时，才能产生容易在双稳系统中形成随机共振的低频信号。差频信号Δf经过双稳系统产生随机共振后信噪比明显提高，幅值也放大，而和频fc+f0信号经双稳系统后基本衰减。因此，外差式随机共振系统输出信号的频谱将在频率Δf处出现谱峰。通过调节fc能灵活地改变频率Δf的大小，可使发生在频率Δf处的谱峰明显突出。但当载波频率fc＝f0，即Δf＝0时，双稳系统的输入不再存在低频周期信号，随机共振系统输出的共振谱峰将随之消失。据此可准确测定涡街信号的频率。
以下通过实施例对本发明内容做进一步解释。用该方法对涡街流量计输出信号进行处理，以小流量3.43m3/h和一般流量11.58m3/h为例。图2、图3分别为小流量3.43m3/h和一般流量11.58m3/h的时域信号，两者相比，在小流量，时域信号周期性不如大流量明显，涡街周期信号幅值小，几乎被强噪声所淹没。对于更小的流量，其信噪比更低，这也是当前涡街流量信号处理的难点之一。将小流量信号经外差式随机共振系统后，当fc＝8.804Hz时，信号低频部分功率谱如图4所示，在差频Δf＝0.004Hz处有一明显谱峰。可见经外差式随机共振后的功率谱峰值明显，信噪比较高，易于准确测量频率。f0＝fc-Δf，因此测得涡街频率为8.8Hz。当连续调节载波信号的频率fc，特别是从小于8.8Hz到大于8.8Hz时，外差式随机共振输出的功率谱峰出现了极为敏感的变化，谱峰值出现了从急剧增大，突然消失再到急剧增大等现象，如图5所示。将功率谱峰值求倒数，则变化规律正好相反，为正确捕捉特征频率带来方便，图6中8.8Hz这一频率值正是待检测的涡街频率。