FFT周期图法在流速测量系统中的应用

刘　骏，周孟然，罗　倩，闫鹏程，彭皆彩

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)



FFT周期图法在流速测量系统中的应用

刘骏，周孟然，罗倩，闫鹏程，彭皆彩

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

摘要：针对测量水体流量的一般方法存在精度不够和抗干扰性能差等问题，以数字信号处理器为主控制器，结合快速傅里叶变换周期图法搭建突水流速测量系统。试验结果表明：该方法不仅能够扩大测量的量程，降低流量下限测量值，而且可提高测量精度，增加抗噪音干扰性能。

关键词：快速傅里叶变换；周期图法；涡街流量计；流速测量；数字信号处理器

0引言

煤矿开采中矿井突水[1-2]一直是煤矿安全生产的极大隐患，了解突水水源的一些特征，对矿井安全生产具有重要的参考价值。水体流量流速是矿井水源的一项重要指标。涡街流量传感器可测量卡门涡街释放的频率，通过频率与流速之间的关系求出流速，但实际的测量现场存在管道振动等引起的多种噪音，同时复杂的井下环境，导致测量精度受影响。当流体流速低时，信号很微弱，无法正常检测，导致测量下限值有限，测量范围不足。目前，主要测量方法有：基于Burg算法的现代谱估计法[3]、松弛焰波法[4]和小波分析法[5]等，但多数方法存在采样点过多、计算繁琐、实时性差以及系统的可靠性不足等缺点。

本文提出了一种基于快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的周期图法，结合TMS320F28335浮点数字信号处理器(digital signal processor,DSP)建立涡街流量计流速的测量系统。此方法由幅值的大小求得涡街信号频率，比较直观且易于编程实现，改善了量程比，并且在复杂的现场环境干扰下对随机噪声有很强的抑制能力[6-7]。

1FFT周期图法

(1)

(2)

FFT算法在频谱分析中起着重要作用，采用基2按时间抽取算法，在基2的N点FFT下需要计算(N/2)log2N次的复乘以及Nlog2N次的复加计算，此算法极大地简化了计算。FFT周期图法是周期图法利用快速傅里叶变换对有限时间序列计算功率谱，根据幅值的大小获得涡街信号的频率[9]。

图1　系统整体结构图

2系统整体结构

本系统主控芯片采用了美国德州仪器公司生产的TMS320F28335浮点DSP，其处理速度高达150 MHz，能够处理32位浮点数据，片内拥有16通道的数模转换器(digital to analog converter，DAC)，精度达到12位，不仅有18路的脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)波形输出，还具有之前系列不具备的6路高分辨率脉宽调制(high resolution pulse width modulation,HRPWM)输出，性能平均提高一半以上。在做FFT复杂运算时采用此DSP，其稳定性和速度可提高一倍。本设计采用双通道处理模式，在正常值时通过方波处理通道(CAP)即可，在微小流量信号下，信噪比较小时所测量的涡街信号容易受影响，此时自动切到正弦处理通道。系统的结构设计如图1所示。由图1可知：当涡街信号经压电传感器接收后，可得到具有噪音的微弱电信号(mV级)。此时，经过电荷放大、低通滤波、限幅滤波以及施密特整形进行处理，产生正弦电荷信号，将其变成和流量成正比的脉冲信号。接着通过模数转换(analog/digital,A/D)模块处理传至DSP中计算脉冲频率，DSP处理过的数据由通用同步异步收发器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)经RS232总线送入上位机。处理器计算后脉冲由通用定时器(TIMER)输出，其中键盘输入整型数据(INT)对控制电路进行实时操作，DSP经通用输入/输出(general purpose input/output,GPIO)向液晶显示屏(liquid crystal display,LCD)传输数据，对信号频率实时监控。电源模块起到供电作用[10-11]。

3系统硬件电路

3.1压电传感器

本设计研究的是应力式涡街流量计，其内部传感器为压电元件，采用冠一科仪公司生产的型号为2300C6的电荷型压电式压力传感器，对涡街信号进行应力检测。传感器性能指标见表1。

表1　压电式压力传感器性能指标

图2　电荷放大器电路

3.2电荷放大器电路设计

采用美国德州仪器公司的单电源供电、低电压、低消耗和低噪音的TLV2262型运算放大器。由于需要把很小的电荷信号转变成电压信号，在设计时需采用电容负反馈的积分放大电路，使其具有很高的输入阻抗以及很小的偏置电流。偏置电流达到1 pA，阻抗值为1012Ω，同时工作温度为-40～25 ℃，能够适应比较恶劣的环境。电荷放大器电路如图2所示。

图2中：VCC为供电电源；R1为上拉电阻；C1、C2为滤波电容；Cf为反馈电容；Rf为反馈电阻；Vin为输入电压；Vout为输出电压；V1为比较电压；GND为接地；U1为运算放大器，型号为TLV2262。

3.3低通滤波器电路设计

本设计采用了二阶低通滤波器，目的是消除在高频时的干扰噪音。在设计时，其截止频率由涡街流量计自身特性以及测量物质决定。为加强电路使用的广泛性，滤波器的截止频率在2 kHz左右，电路图如图3所示。

图3　低通滤波器电路

图3中：VCC为供电电源；C1为滤波电容；Cf为反馈电容；R1、R2为分压电阻；Vin为输入电压；Vout为输出电压；GND为接地；U1为电压放大器，型号为LM324。

3.4施密特整形电路设计

电荷信号经放大和滤波作用后分为两路传输，其中一路经TMS320F28335 DSP的A/D转换模块，对后面的信号作FFT谱分析，计算出信号的频率；另外一路信号经限幅滤波器滤波后传给施密特整形电路，经整形电路处理将正弦电压信号变成同样频率的脉冲信号，对DSP处理进行预判。施密特整形电路所需电压不同，可将涡街信号整形，对剩余的噪音进行滤除，增加其抗干扰能力。施密特整形电路如图4所示。

图4　施密特整形电路

图4中：VCC为供电电源；R5、R9为上拉电阻；CON3为3脚插针；AINS、BINS分别为A电路电压输入和B电路电压输入；AIN、BIN分别为A电路输出和B电路输出；R3、R4、R7、R8为分压电阻；R6为电压调节电阻；GND为接地；U1、U2为电压放大器，型号为LM339；J1为接口器件。

图4中采用高转换速度和低功耗的LM339电压比较器，其电阻和电压构成方波的整形电路，经过此电路后将信号转为方波信号，同时滤除噪音干扰。LM339具有失调电压小、共模范围大、差动输入电压范围广以及可灵活选用输出端电位等优点[12]。

3.5涡街流量计安装

根据实时矿井测量，突水水体流量范围为0～70 m3/h。为满足测量需要，选用口径为65 mm(DN65)，此时方向标到法兰盘之间的距离为73 cm。在矿井安装位置的选择条件：传感器上游和下游有足够的直管段且检修阀安装在传感器上游，流量调节阀安装在传感器下游；尽量选择无管道振动或振动小、维修安装便捷以及周围环境干燥的位置；放大器盒外电缆需弯成U型，周围远离电噪音，如变压器等。

4测试结果分析

在淮南某矿区模拟突水时，使用涡街流量计进行水体流量测试试验，其口径为65 mm(DN65)，设定6个流量点依次进行测试。流量从正常范围由大到小进行测量，不断降低流量测量的最低值，测量时每个点进行2次重复，以保证测量的准确性。用速度式流量计规定的公式计算平均仪表系数以及线性度。本设计可测得低流速的涡街信号，最低可测频率为2.8 Hz(流量为1.0 m3/h ，流速为0.15 m/s)。FFT周期图法测量矿井突水流量数据见表2。

由表2测试数据可知：FFT周期图法在对矿井突水流量的研究中能够实现实时测量。对6个流量设定点的流量以及频率的测量结果显示：可测的流量下限较小，从而量程比加大到60∶1;重复率随着频率的增大而降低，在极限频率测量时重复率为0.263 8%，基本满足测量要求;同时线性度优良，符合系统测量要求。

表2　FFT周期图法测量矿井突水流量数据

表3　涡街频率对比　Hz

同样，用一般的处理方法对突水流量测得一组涡街频率为f2，同时用本文设计方法也测得一组数据为f1，将两组数据与真实数据f0进行对比，结果见表3。对表3的数据进行对比分析可知：一般的处理方法测出的值与真实值误差较大，同时在低频方面无法进行测量，故对微弱的涡街信号就会丧失测量能力；而采用本文设计方法测量时，不仅能够在测量数值上更接近真实值，测量准确度更高，而且能够在微弱涡街信号的测量中发挥测量作用。图5为系统采样的微弱电压信号(mV级)，图6为运用FFT周期图法测1.0 m3/h流量时的功率谱图。

图5 系统采样电压信号图6 FFT周期图法测1.0m3/h流量时的功率谱图

5结论

本系统由TMS320F28335浮点DSP控制并结合FFT周期图法对流体流量进行测量分析。本设计在测量量程以及下限值方面有所改进，同时提高了测量精度和系统的抗干扰性，使系统整体性能得到很大提高，在矿井突水预防方面具有很大的实际运用价值。

参考文献：

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[12]内山明治,村野靖.图解运算放大器电路[M].陈镜超,译.北京:科学出版社,2000.

中图分类号：TP23

文献标志码：A

收稿日期：2015-11-24

作者简介：刘骏(1990-),男,安徽芜湖人,硕士生;周孟然(1965-),男,安徽淮南人,教授,博士,博士生导师,主要从事矿山机电设备的智能监测和煤矿安全监测监控等方面的研究.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划基金项目(2013BAK06B01)

文章编号：1672-6871(2016)03-0033-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.008