渦街流量計(jì)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為80 ^90年代發(fā)展最為迅速的流量測(cè)量?jī)x表之一，其應(yīng)用前景非常廣泛。目前，該儀表的研究熱點(diǎn)之一是探討在噪聲中提取流量信息的數(shù)字處理方法。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)渦街流量計(jì)的企業(yè)有二、三十家，大多產(chǎn)品雖采用了51系列的單片機(jī)，但僅用于參數(shù)設(shè)置和補(bǔ)償，表征流速的頻率仍用硬件電路測(cè)試、計(jì)算。即由渦街感測(cè)器得到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路的放大、濾波、整形、計(jì)算，輸出脈沖頻率信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，以顯示被測(cè)介質(zhì)的累計(jì)和瞬時(shí)流量。用硬件電路計(jì)算頻率，實(shí)時(shí)性好。但流量計(jì)安裝在管道中，與管道相聯(lián)系的各種振動(dòng)源所產(chǎn)生的干擾會(huì)疊加在流量計(jì)的輸出信號(hào)上，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)，造成測(cè)量誤差。在低頻段，這一問(wèn)題更為突出。人們通過(guò)規(guī)定下限截止頻率，限制量程比來(lái)解決此問(wèn)題。例如，口徑為25mm的流量計(jì)，測(cè)量氣體時(shí)，下限截止頻率定為56Hz。對(duì)此，有關(guān)專(zhuān)家提出發(fā)揮單片機(jī)的作用，采用軟件，以譜分析方法來(lái)計(jì)算頻率值。隨著微處理器的發(fā)展，這一新技術(shù)將得到普遍應(yīng)用。在運(yùn)用中首先要解決兩個(gè)基本問(wèn)題:一是具體選擇哪種譜分析算法，以滿(mǎn)足準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求;二是怎樣克服流量發(fā)生、標(biāo)定中的困難，充分考慮實(shí)際噪聲問(wèn)題，減少研制中的盲目性，縮短研制周期。為此，本文采用仿真方法，編制信號(hào)發(fā)生器程序，模擬流量計(jì)輸出信號(hào)和各種噪聲;用高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)不同的譜分析算法，比較其特點(diǎn)，討論其結(jié)果。進(jìn)行這樣的研究方便、靈活、省時(shí)，可在較大范圍內(nèi)擇優(yōu)，為用微處理器實(shí)現(xiàn)具體的裝置提供有益的參考。

　　二、信號(hào)和噪聲的產(chǎn)生

　　在理想情況下，http://.輸出信號(hào)為正弦。但實(shí)際上，渦街信號(hào)中含有較復(fù)雜的噪聲成份。噪聲的頻率、幅值及變化規(guī)律因現(xiàn)場(chǎng)使用條件而不同。例如，有流體流動(dòng)噪聲、流體低頻擺動(dòng)噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲等。這樣，渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)由兩部分組成:一是流速產(chǎn)生的渦街信號(hào);二是干擾引起的噪聲信號(hào)。

　　正弦信號(hào)的產(chǎn)生十分容易，關(guān)鍵是如何產(chǎn)生各種分布的白噪聲來(lái)模擬實(shí)際噪聲情況，為方便起見(jiàn)，下面把不同分布的白噪聲統(tǒng)稱(chēng)為隨機(jī)數(shù)。理論上講，只要有一種具有連續(xù)分布的隨機(jī)數(shù)，就可以通過(guò)函數(shù)變換的方法產(chǎn)生其它任意分布的隨機(jī)數(shù)。本文采用乘同余法產(chǎn)生（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)。用如下的遞推同余式產(chǎn)生正整序列(xi):

正弦信號(hào)疊加正態(tài)分布隨機(jī)噪聲的情形如圖1所示。

　　三、經(jīng)典譜計(jì)算法

　　1.基本原理

　　采用以快速傅里葉變換(FFT)為代表的經(jīng)典譜分析方法計(jì)算渦街流量計(jì)輸出信號(hào)的功率譜。把時(shí)間歷程x(t)限制在有限時(shí)間區(qū)間(0,T)內(nèi)，頻率f處的功率譜密度函數(shù)的原始估計(jì)為:

　　2.計(jì)算結(jié)果

　　(2)設(shè)f信=100Hz,N=256，當(dāng)周期數(shù)改變時(shí)，所計(jì)算的頻率值，見(jiàn)表2所示，表中的(采樣時(shí)間間隔)是變化的。

　　(3)設(shè)f信=100Hz,N=256，當(dāng)每周期內(nèi)點(diǎn)數(shù)改變時(shí)，所計(jì)算得的頻率值如表3所示，表中的△t也是變化的。

　3.幾點(diǎn)討論

　　(1)用FFT計(jì)算功率譜時(shí)，對(duì)指數(shù)分布白噪聲的抑制作用欠佳;對(duì)于在零點(diǎn)左右均勻分布，即(-a,a)分布白噪聲有較好的抑制作用，而對(duì)于其它的均勻分布白噪聲的抑制作用不理想;對(duì)于正態(tài)分布的白噪聲有很好的抑制作用。

　　(2)當(dāng)取輸出信號(hào)非整周期進(jìn)行功率譜計(jì)算時(shí)，所得頻率值有誤差，其誤差小于頻率分辨率。

　　(3)當(dāng)信號(hào)頻率不變，采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)不變，改變周期采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)，若采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)是2的正整次冪(即N=2",n=1,2,"""""")，那么△n=2"+1時(shí)，進(jìn)行功率譜計(jì)算，所得頻率值非常準(zhǔn)確。

　　(4)功率譜的頻率分辨率與N·成反比。當(dāng)采樣頻率不變時(shí)，N大，分辨率高;但N大，會(huì)使采樣時(shí)間和計(jì)算時(shí)間增加。當(dāng)N不變時(shí)，大，分辨率高;但增加，將受到采樣時(shí)間和信號(hào)頻率(一個(gè)周期內(nèi)至少采4點(diǎn))的制約。

　　(5)流量計(jì)的測(cè)量和顯示，有一定的時(shí)間要求，這就需要我們解決采樣、運(yùn)算的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。例如，渦街頻率為50Hz，儀表精度為100，則頻率分辨率至少為0. 5Hz，則采樣時(shí)間要2s。若用8098單片機(jī)計(jì)算功率譜，則采樣、計(jì)算時(shí)間勢(shì)必超過(guò)3s。應(yīng)采用DSP芯片處理，可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　四、現(xiàn)代譜計(jì)算法

　　1.基本原理

向線(xiàn)性預(yù)測(cè)誤差能量的平方和最小為準(zhǔn)則來(lái)估計(jì)自回歸模型的系數(shù)。利用伯格算法的{zd0}嫡譜分析方法對(duì)于時(shí)間序列的前后值不作任何要求，而是直接應(yīng)用有限段數(shù)據(jù)做初始計(jì)算，因此，不存在截?cái)嘈蛄械慕K端效應(yīng)，這特別宜于短序列的譜分析。

　　2.計(jì)算結(jié)果

　　(3)設(shè)N=256，f信~100Hz , ML=9，改變△n，使采樣信號(hào)為非整周期，其結(jié)果如表6所示。

　　3.幾點(diǎn)討論

　　(1)現(xiàn)代譜方法計(jì)算信號(hào)的功率，對(duì)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力;

　　(2)因該方法是先建模，再依據(jù)自回歸系數(shù)計(jì)算功率譜，所以建模的階數(shù)對(duì)功率譜計(jì)算的結(jié)果有影響。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，應(yīng)選用較低的階數(shù)，也就要求每周期內(nèi)所取點(diǎn)數(shù)不宜太多;

　　(3)對(duì)非整周期數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜計(jì)算，結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確.這與該算法的原理有關(guān);

　　(4)在采樣點(diǎn)數(shù)和采樣時(shí)間間隔相同的情況下，現(xiàn)代譜分析算法的頻率分辨率比FFT的高一倍.