c，相比Vml项频率较高，Vm3项是调制后的白噪声，白噪声经过余弦信号调制后仍然为白噪 声。在双稳系统的作用下，经过调制，V ml将在输出中占主导作用，双稳系统将产生与Vml项频 率δ f同频的输出。双稳系统势函数可表示为
，μ为系统参数，系统阈值
。Vmi项幅值调制后信号幅值由Ao放大Ac/2倍记为Αχ上=八-/2，改变调制参数 Ac可以调整六:的大小，实现信号幅值与系统的匹配，即AKAt，可取ApO.SAt，这时调制参数 Ac可以取Ac = 2 X 0.8At/Ao。通过调节f c可以调整输出信号频率Δ f，实现频率的匹配，一般Δ f = f o-f ΖΟ.ΟΙΗζ，可取Af = 〇.〇lHz，这时调制参数f c可取=f 〇-〇. 01Hz。可见，调制参数Ac 和fc的初始值根据匹配关系及Ao和fo计算得到，Ao和fo用步骤⑵中标准差估算得到。祸街信 号经过调制后，输入非线性双稳系统，产生随机共振。
[0029] (4)为达到最佳随机共振效果，对调制参数A。和f。进行优化，以双稳系统输出功率 谱峰值为目标函数，功率谱峰值越大，说明信号通过随机共振得到增强的效果越好，通过线 性搜索算法，按一定的步长改变A。和f。值，在搜索过程中，输出功率谱峰值最大值对应的参 数A c和f。为最优控制参数。涡街信号经过双调制控制器输入双稳系统，功率谱峰值所在位置 即随机共振频率为A f，进而可以准确获得涡街频率?·〇 = ?·。- Δ f。
[0030] 根据步骤(4)获得的涡街频率获得流体流速：
.再由下式获得流体流 量:Q = VS，其中，S为涡街发生体的横截面积，P为流体密度。
[0031] 实施例
[0032] 以下通过实例对本
【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。
[0033] 实验装置如图2所示。通过水栗将水从蓄水池抽入实验管道，流经稳压罐稳定水 压，再由管道流经电磁流量计及涡街流量计，最后流回蓄水池，流速大小由水栗的变频器和 管道中的调节阀控制，其中电磁流量计作为标准表给出参考值，不确定度0.2,实验用涡街 流量计为国内某厂家生产，精度1. 〇，管道口径50mm，斯特劳哈尔数为0.1670。
[0034]涡街信号幅值代表漩涡升力大小，而漩涡升力Fl与流速V之间的关系为Fl = ClPV2/ 2，Cl为流量计升力系数，P为流体密度，升力Fl与流速V的平方成正比关系，升力由传感器转 换为信号幅值。信号频率f与流体平均速度V之间关系f = SrV/d，Sr为斯特劳哈尔数，d为发 生体迎流面宽度，频率f与流速V之间成正比关系。
[0035] 对不同流量点进行实验，采集涡街流量计输出信号，构建信号标准差Std与流速之 间关系模型，如图3所示。根据信号标准差与幅值关系
估算信号幅值，利用标准 差与流速关系模型及频率与流速关系估算频率，给出控制参数调制幅值及频率初始值。
[0036] 在小流量条件下，涡街信号更弱，一般信号处理难以获取涡街频率，因此特别选取 小流量信号进行实验。在电磁流量计显示1.75m 3/h情况下进行实验，采集涡街流量计输出 信号。信号时域和频域分别如图4、图5所示，可以发现此时涡街信号十分微弱，已经看不到 任何周期性的波动，而取而代之的一系列的噪声，从FFT分析结果的功率谱图中也可以看 到，涡街信号已经被噪声所淹没，不能准确的找出涡街频率所在的主峰。
[0037]根据匹配关系及标准差，设置调制参数fc范围[1，10 ]Hz，Ac范围为[10,120]。在该 范围内连续改变参数f。及A。，根据输出功率谱峰值的变化曲线进行参数调节，最终在八。= 102，f c = [ 1，10 ]Hz时，得到输出功率谱峰值随f c变化的曲线如图6所示，发现f c = 4.525Hz 时，功率谱峰值显著增大，在该点的系统输出时域图如图7和图8所示，时域图中可见系统输 出产生了明显的共振现象，功率谱图中可见发生共振时A f = 0.0032Hz。因此该小流量段涡 街信号频率f〇 = f·。- A f为4.52Hz，根据频率与流速关系求得流速大小为0.248m/s，转换为流 量大小为1.754m3/h，与标准表电磁流量计显示流量1.75m3/h相符。
[0038]实验结果表明通过标准差对实际涡街信号频率、幅值进行估计是有效的，可以提 高涡街信号与非线性双稳系统的匹配效率。经过双调制的涡街信号输入系统产生随机共振 现象，说明该方法处理实际涡街信号，特别是弱涡街信号是可行和有效的。
【主权项】
1. 一种基于标准差的满街频率随机共振控制检测方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 采集满街流量计输出信号H(t)，该信号可表示为H(t)=Aocos(2时ot)+r (t)，Aocos (2袖Qt)是旋满波动信号，Γ (t)是噪声信号，Aq为旋满波动信号幅值，fo为旋满波动信号频 率，t为时间。 (2) 计算满街流量计输出信号标准差Std:式中，N是采样点数，Ai是满 街流量计输出信号化〇的幅值，三是满街流量计输出信号化〇的平均值;利用^ 关系可W估算旋满波动信号幅值Ao,再根据Ao = kiV2可W估算管道中流体流速V，ki是常数； 最后再利用f〇 = SrV/d可W估算信号频率时，式中Sr是斯特罗哈尔数，d是满街发生体迎流面 宽度，W此确定控制参数调制幅值和频率初始值。 (3) 满街流量计输出信号输入信号幅值和频率双调制模块进行信号幅值和频率双调制 过程，控制信号为频率和幅值可变的载波信号W(t)=AcC〇s(2时ct)，其中，Ac为幅值调制参 数，f。为频率调制参数，通过双调制的控制过程可表示为：式中，H(t)是步骤（1)中采集到的叠加噪声的满街流量计输出信号，经过调制可分为 Vml、Vm2、￥。3立项，信号的频率及幅值都发生变化，其中Vml项频率为f O-f。，记为Δ f，Vm2项频率 为fo+f。，相比Vml项频率较高，Vm3项是调制后的白噪声，在双稳系统的作用下，经过调制，Vml 将在输出中占主导作用，双稳系统将产生与Vml项频率Af同频的输出。双稳系统势函数可表 示朱μ为系统参数，系统阔隹Vml项幅值调制后信号幅值 由Ao放大Ac/2倍记为心，心=4。4〇/2，改变调制参数4。可^调整心的大小，实现信号幅值与系 统的匹配，即Ai<At;通过调节f。可W调整输出信号频率Δ?·，实现频率的匹配，一般Af = f〇- fc含O.Omz，可见，调制参数A。和f。的初始值根据匹配关系及Ao和fo计算得到：f。 = fo+A f;其中，Δ f含0.01，Ai<At，且Δ巧日Ai均为正实数;满街信号经过调制后，输入非线 性双稳系统，产生随机共振。 (4) 为达到最佳随机共振效果，对调制参数A。和f。进行优化：W双稳系统输出功率谱峰 值为目标函数，功率谱峰值越大，说明信号通过随机共振得到增强的效果越好;通过线性捜 索算法，改变Ac和fc值进行捜索，在捜索过程中，输出功率谱峰值最大值对应的参数Ac和fc 为最优控制参数。满街信号经过双调制控制器输入双稳系统，功率谱峰值所在位置即随机 共振频率为Δ f，进而可W准确获得满街频率f〇 = fc+Δ f。
【专利摘要】本发明公开了一种基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法；该方法利用幅值和频率双重调制的随机共振控制方法，以调制幅值和频率为控制参数，使涡街信号与非线性双稳系统匹配，产生随机共振，共振频率即为涡街信号频率。针对涡街信号，利用信号标准差中包含的流体流动特性，通过标准差估算流速，以确定控制参数搜索范围，再利用自适应方法可以快速确定幅值与频率控制参数，提高信号与非线性双稳系统匹配效率，可以快速检测到涡街频率。
【IPC分类】G01F1/32
【公开号】CN105571659
【申请号】CN201610041160
【发明人】黄咏梅, 丁君鸿, 林敏
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年1月21日