[發明專利]基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法和系統

有效

• 申請號: 201610099983.8
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105737909B
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發明（設計）人: 徐科軍;邵春莉;舒張平
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01F1/32
• 分類號: G01F1/32
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 金惠貞

1.基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法，包括前向輸入調理電路模塊、數字信號處理模塊、系統輸出模塊、電源轉換電路模塊和基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法軟件；壓電式傳感器將渦街流量信號轉換成電荷信號輸出，輸出信號先后經過電荷放大器、電壓放大器、低通濾波器和電壓跟隨器，然后進入MSP430F5418單片機的內部的ADC單元，經過ADC采樣并轉換成數字信號；MSP430F5418單片機采用基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法對該數字信號進行處理，得到渦街流量信號的頻率，進而得到流體的流量；然后，通過輸出模塊將渦街信號的頻率和流量值在LCD上實時顯示；其特征在于：基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法包括查找包含瞬態沖擊振動干擾的數據段，配置卡爾曼濾波器，分段進行卡爾曼濾波，頻域幅值譜分析；采用卡爾曼濾波器預測估計渦街流量信號，達到降低強瞬態沖擊振動干擾能量和比重的目的。

2.如權利要求1所述的基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法，其特征在于：對渦街流量傳感器輸出信號進行處理以降低強瞬態沖擊振動干擾的能量和比重；首先，監測渦街流量傳感器輸出信號，分段比較后設置突變閾值，根據瞬態沖擊振動干擾的幅值突變后振蕩衰減的特性，查找包含瞬態沖擊振動干擾的數據段；然后，配置用于預測和估計渦街流量信號的卡爾曼濾波器的變量和參數；并用此類卡爾曼濾波器對包含瞬態沖擊振動干擾的數據段分段進行濾波，降低該數據段中強瞬態沖擊振動干擾的能量和比重，使渦街流量信號在整體上能量占優；最后，通過頻域幅值譜分析，提取渦街流量信號頻率；基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態沖擊干擾的信號處理方法的具體處理步驟如下：

(1)查找包含瞬態沖擊振動干擾的數據段

首先，采集渦街流量傳感器輸出信號，將2060點采樣數據平均分段，根據每段數據的最大峰峰值計算突變閾值Vth；將信號的幅值與閾值進行比較，查找包含瞬態沖擊振動干擾的起始數據段，并計數每次沖擊數據段持續的段數N；查找瞬態沖擊的起始點，并保存包含瞬態沖擊振動干擾的數據段；

(2)配置卡爾曼濾波器

采用卡爾曼濾波器來預測和估計渦街流量信號；將渦街流量信號定義為狀態變量X_k，將包含瞬態沖擊的數據段定義為觀測變量Y_k，將瞬態沖擊振動干擾信號定義為測量噪聲v_k；

該過程無控制參數，所以，控制輸入變量U_k＝0，系數B＝0；

正常工況下渦街流量信號屬于平穩正弦信號，可用上一時刻的渦街流量信號加上干擾噪聲來預測估計當前狀態的渦街流量信號，并用過程噪聲來表示干擾噪聲，則設置系數A＝1，系數G＝1，過程噪聲w_k的均值并可由渦街流量信號段數據的方差近似地計算過程噪聲的方差Q；

待濾波數據段是由瞬態沖擊振動干擾疊加渦街流量信號所組成，則設置系數H＝1；因為強瞬態沖擊振動干擾的能量一般大于流量信號的能量，為了降低振動干擾的比重，根據大量實驗數據的驗證，設置D的計算公式為：

式中，max(PPV)為20個峰峰值中的最大值，min(PPV)為20個峰峰值中的最小值；同時，測量噪聲v_k的均值并用包含瞬態沖擊振動干擾數據段的方差近似地計算測量噪聲方差R，其計算公式為：

式中，S²為方差，T為每段卡爾曼濾波包含的待濾波數據的點數，Y_i為當前的觀測變量值，為T個觀測變量的均值；

(3)分段進行卡爾曼濾波

將每個包含瞬態沖擊振動干擾的數據段均分成兩段，分別計算每段測量噪聲的方差，并進行卡爾曼濾波；包含瞬態沖擊振動干擾數據段之外的數據保持不變；

(4)頻域幅值譜分析

分段濾波有效地降低了強瞬態沖擊振動干擾的能量和比重，使渦街流量信號在整體上能量占優；針對濾波后的采樣數據，可直接通過頻域幅值譜分析，查找幅值譜中最大峰值對應的頻率，把它作為渦街流量信號的頻率。