電磁式渦街流量計測量含氣導電液體流量，在測量含氣導電液體流量時，電磁式渦街流量計利用已有的信號處理方**出現流量信號頻率計算錯誤的現象，造成較大的測量誤差。為此，提出基于信號微分和快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析的算法，放大高頻流量信號，抑制低頻氣泡噪聲干擾，使整體流量信號能量占優，從而找到正確的流量信號頻率。研制基于DSP的電磁式渦街流量變送器系統。設計一套兩相流實驗流程，進氣液兩相流實驗。實驗結果表明，當含氣量不超過3.9%時，所研制的電磁式渦街流量變送器系統實時測量誤差優于±3%，大大減小了測量含氣導電液體流量的誤差。

電磁式渦街流量計是一種基于卡門渦街原理和電磁感應原理工作的流量儀表，具有結構簡單牢靠，壓力損失小，使用壽命長等諸多特點。電磁式渦街流量計采用電磁的方法檢測渦街的頻率，與渦街流量計相比，其輸出信號不受管道振動和周邊振動源干擾的影響，測量可靠性高；與電磁流量計相比，信號處理難度降低，無零點漂移。
對于單相導電液體流量，由于電磁式渦街流量計不受振動干擾，因此，采用基于快速傅里葉變換(FFT)的頻譜分析方法就能準確測量出流量信號的頻率。對于氣液兩相流，電磁式渦街流量計要測量的是導電液體體積流量，而氣體是干擾量。由于氣泡噪聲的干擾，信號發生畸變，此時若仍利用單相流下的處理方法可能得不到正確的流量信號頻率，從而造成較大的測量誤差。而針對電磁式渦街流量計測量氣液兩相流這一課題，國內外學者還未開展過研究。由于氣液兩相流廣泛存在于化工、能源動力、石油工業和食品加工等工業生產過程中，因此，研究氣液兩相流中含氣導電液體流量的準確測量對工業生產有著十分重要的意義。
為此，本文提出一種基于信號微分和FFT頻譜分析的信號處理方法，并研制基于DSP的電磁式渦街流量計變送器系統，實時實現算法。為驗證算法的有效性，設計了一套氣液兩相流實驗流程，進行了氣液兩相流水流量測量標定實驗。實驗結果表明，本文提出的信號處理方法實時測量誤差優于±3%。
1、信號處理方法
1.1 信號處理原理
電磁式渦街流量計是通過檢測旋渦頻率f(單位為Hz) 來測量導電液體體積流量的。對于卡曼渦街而言，產生的漩渦頻率f與發生體兩側的平均流速之間的關系為：

式中：Sr為斯特勞哈爾數；v為測量管道內流體的平均流速(單位為m/s)；d為發生體迎流面特征寬度(單位為m)；m為發生體兩側的弓形面積之和與管道的橫截面積之比。假設測量管道內徑為D(單位為m)，測量管道內流體的瞬時體積流量為qv(單位為m3/s)，渦街流量計的儀表系數為K(單位為m－3)，則：

當管道雷諾數在一定的范圍內時，儀表系數K可視為常數，可以通過標定實驗得到。由上分析可知，電磁式渦街流量計測量含氣導電液體流量，前提是能夠檢測出正確的渦街頻率f，即流量信號頻率。
水流量為5.5m3/h時未注氣純水流量信號和注氣量為1.32L/min的氣液兩相流信號如圖1所示?？梢?，單相純水流量信號近似為規律的正弦波信號，而氣液兩相流時信號發生畸變，不再是規律的正弦波信號。對于單相純水流量，對信號進行FFT頻譜分析，頻譜圖中幅值大點對應的頻率即為流量信號頻率；對于氣液兩相流信號，這種方法得到的頻率可能不是正確的流量信號頻率。

圖1中兩組信號的頻譜如圖2所示。可見，利用FFT頻譜分析能得到純水流量信號的頻率，而對于氣液兩相流信號，低頻噪聲嚴重，找到的頻率并不是正確的流量信號頻率。這是因為當水流量中含有氣泡時，氣泡會劃過電極，使電極與水流量的接觸電阻發生變化，導致電極輸出的信號產生低頻漂移，即產生低頻氣泡噪聲，且低頻漂移的信號幅值與注氣量成正相關的關系。通過對多組不同水流量下不同注氣量的流量信號的頻譜圖進行分析，發現氣泡噪聲有以下特點：氣泡噪聲主要為低頻噪聲，氣泡噪聲在不同注氣量下的低頻帶寬會發生變化，氣泡噪聲頻帶可能落在電磁渦街流量信號的頻率范圍內。因此，不能設計帶通濾波器或陷波器來濾除干擾，也不能直接從頻域中提取電磁渦街流量頻率。
綜合以上分析，提出基于信號微分和FFT頻譜分析的信號處理方法，通過對氣液兩相流信號進行微分處理，降低氣泡噪聲干擾的能量和權重，使整體電磁渦街流量信號能量占優。假設氣液兩相流信號為x(t)，流量信號假設為正弦信號，頻率為f0，噪聲信號用noise(t)表示，則信號x(t)為：

可見，對信號微分后流量信號的頻率不變，且相對于低頻氣泡噪聲，高頻流量信號放大倍數變大，也就是說，基于信號微分的處理方法能放大高頻流量信號，抑制低頻干擾，使整體流量信號能量占優。
本研究中對數字信號進行處理，且每兩點之間的采樣間隔較短，故可用兩點信號幅值之差代替該點的微分。對于數字信號x(n)，其第n點的微分結果y(n)為：

對圖1中的注氣信號進行微分處理，信號微分前后時域波形如圖3所示?？梢姡瑢π盘栁⒎趾?，有效地抑制了氣泡噪聲帶來的干擾。信號微分前后頻域幅值譜如圖4所示，可見，微分后使流量信號能量權重由0.4722(即0.017/0.036)上升為2.0667(即0.0031/0.0015)，從而能正確地識別出流量信號頻率為27.34Hz，與圖2所示純水流量的信號頻率27.83Hz較為接近。

在實現時，為了保證數據處理的實時性，點數不能太多；而為了zui大程度地還原傳感器輸出信號，采樣頻率又不能太低。因此，造成頻率分辨率較低，進而影響測量精度。所以，在計算出頻率信息后，采用頻譜重心校正的方法改善因分辨率較低而帶來的誤差。頻譜重心校正是利用窗函數主瓣內的譜線求主瓣中心的坐標，得到準確頻率、幅值和相位。根據主瓣函數的特點用重心法規求中心坐標。下面對本文采用的矩形窗給出校正公式。利用矩形譜的模函數：

為了排除隨機噪聲干擾，對校正后的頻率每20點進行排序，去除等個數的zui大值、zui小值，取中間部分的平均值作為當前頻率輸出值。為了使輸出的頻率值更為穩定，可以再對輸出的頻率值進行滑動平均濾波。
1.2 數據分析對比
對采集的6.5、5.5、4.5、3.5m3/h四個流量點下不同注氣量的信號進行離線處理，每組數據利用兩種信號處理方法得到的流量信號頻率如表1所列。方法1，對信號進行FFT頻譜分析，得出流量信號頻率，再進行頻譜校正、中位值濾波和滑動平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率；方法2，先對信號微分，再進行FFT頻譜分析，得出流量信號頻率，zui后進行頻率校正、中位值濾波和滑動平均濾波等處理后得到zui終的輸出頻率?？梢?，在含氣量較大時，方法2計算出來的流量信號頻率明顯比方法1準確。