渦街流量計以其獨特的優(yōu)點成為80 ^90年代發(fā)展最為迅速的流量測量儀表之一，其應用前景非常廣泛。目前，該儀表的研究熱點之一是探討在噪聲中提取流量信息的數(shù)字處理方法。國內生產渦街流量計的企業(yè)有二、三十家，大多產品雖采用了51系列的單片機，但僅用于參數(shù)設置和補償，表征流速的頻率仍用硬件電路測試、計算。即由渦街感測器得到的信號，經過電路的放大、濾波、整形、計算，輸出脈沖頻率信號和標準的模擬信號，以顯示被測介質的累計和瞬時流量。用硬件電路計算頻率，實時性好。但流量計安裝在管道中，與管道相聯(lián)系的各種振動源所產生的干擾會疊加在流量計的輸出信號上，可能導致誤觸發(fā)，造成測量誤差。在低頻段，這一問題更為突出。人們通過規(guī)定下限截止頻率，限制量程比來解決此問題。例如，口徑為25mm的流量計，測量氣體時，下限截止頻率定為56Hz。對此，有關專家提出發(fā)揮單片機的作用，采用軟件，以譜分析方法來計算頻率值。隨著微處理器的發(fā)展，這一新技術將得到普遍應用。在運用中首先要解決兩個基本問題:一是具體選擇哪種譜分析算法，以滿足準確性和實時性的要求;二是怎樣克服流量發(fā)生、標定中的困難，充分考慮實際噪聲問題，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，編制信號發(fā)生器程序，模擬流量計輸出信號和各種噪聲;用高級語言實現(xiàn)不同的譜分析算法，比較其特點，討論其結果。進行這樣的研究方便、靈活、省時，可在較大范圍內擇優(yōu)，為用微處理器實現(xiàn)具體的裝置提供有益的參考。

　　二、信號和噪聲的產生

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

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

正弦信號疊加正態(tài)分布隨機噪聲的情形如圖1所示。

　　三、經典譜計算法

　　1.基本原理

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

　　2.計算結果

　　(2)設f信=100Hz,N=256，當周期數(shù)改變時，所計算的頻率值，見表2所示，表中的(采樣時間間隔)是變化的。

　　(3)設f信=100Hz,N=256，當每周期內點數(shù)改變時，所計算得的頻率值如表3所示，表中的△t也是變化的。

　3.幾點討論

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

　　(2)當取輸出信號非整周期進行功率譜計算時，所得頻率值有誤差，其誤差小于頻率分辨率。

　　(3)當信號頻率不變，采樣點點數(shù)不變，改變周期采樣點數(shù)時，若采樣點點數(shù)是2的正整次冪(即N=2",n=1,2,"""""")，那么△n=2"+1時，進行功率譜計算，所得頻率值非常準確。

　　(4)功率譜的頻率分辨率與N·成反比。當采樣頻率不變時，N大，分辨率高;但N大，會使采樣時間和計算時間增加。當N不變時，大，分辨率高;但增加，將受到采樣時間和信號頻率(一個周期內至少采4點)的制約。

　　(5)流量計的測量和顯示，有一定的時間要求，這就需要我們解決采樣、運算的實時性問題。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，則采樣時間要2s。若用8098單片機計算功率譜，則采樣、計算時間勢必超過3s。應采用DSP芯片處理，可滿足實時性要求。

　　四、現(xiàn)代譜計算法

　　1.基本原理

向線性預測誤差能量的平方和最小為準則來估計自回歸模型的系數(shù)。利用伯格算法的{zd0}嫡譜分析方法對于時間序列的前后值不作任何要求，而是直接應用有限段數(shù)據(jù)做初始計算，因此，不存在截斷序列的終端效應，這特別宜于短序列的譜分析。

　　2.計算結果

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

　　3.幾點討論

　　(1)現(xiàn)代譜方法計算信號的功率，對噪聲有較強的抑制能力;

　　(2)因該方法是先建模，再依據(jù)自回歸系數(shù)計算功率譜，所以建模的階數(shù)對功率譜計算的結果有影響。為節(jié)省計算時間，應選用較低的階數(shù)，也就要求每周期內所取點數(shù)不宜太多;

　　(3)對非整周期數(shù)據(jù)進行功率譜計算，結果相對準確.這與該算法的原理有關;

　　(4)在采樣點數(shù)和采樣時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.