振动式流量计特征信号提取方法
【技术领域】
[0001] 本申请提出一种基于改进集总平均经验模态分解(MEEMD)的振动式流量计特征信 号提取方法。
【背景技术】
[0002] 振动式流量计是供流管网中的计量关键部件，其能否准确、快速计量对整个供流 管网有着重要的影响。在管网供流过程中，振动式流量计的润街流量信号由流速产生的正 弦润街信号和外界干扰引起的噪声信号组成，当流量较大时，信号幅值较大，信噪比较高， 由噪声引起的影响不显著；当流量较小时，信号幅值小，信噪比低，流量信号的波形易发生 崎变，所W低流速、小流量测量是振动式流量计发展的瓶颈。可是在工业现场应用中振动 式流量计需要满足各种或大或小的在线流量监测，所W振动式流量计一旦不能准确计量， 短时间内可引起大量的流体不被统计而流过，导致企业损失，甚至造成严重的工业事故。因 此，振动式流量计流量信号特征提取在工业应用中有着重要的意义。
[0003] 目前，国内外主要采用信号分析与处理的方法来实现流体振动式流量计的流量监 测和统计。当管网中的流体通过流体振动式流量计的旋润发生体时，会因卡口润街原理而 在旋润发生体的两侧产生两列成对的、旋转方向相反的、交替排列的反对称润旋，伴随旋润 的产生与脱落，在旋润发生体的周围和下游的流体将产生有规律的振动。在正常供流过程 中，该种由卡口润街原理而引起的振动是周期性的，由于振动而产生的振动信号也会产生 周期性的脉冲，该脉冲的频率就是流体振动信号的频率，并且此频率正比于流体通过旋润 发生体时的平均流速。因此，采集振动式流量计的振动信号，并通过适当的方法来提取信号 特征，可W间接地保证振动式流量计准确、快速计量。
[0004] 目前，振动式流量计常用的信号特征提取方法有小波分析法、FFT的经典谱分析 法、、基于DSP的信号处理法、周期图谱分析和基于Burg的现代谱分析法等。小波分析法是 一种时频分析法，它可W对信号进行全局分析和局部分析，但该取决于小波基的选择，小波 基不同，则信号分析的分辨率就不同，并且选择不同的小波基对应着不同的运算复杂度，所 W小波分析对信号的分析具有局限性。FFT的经典谱分析法对润街流量信号进行采集时采 用了单一的采样频率，缺少对高低频率同时适应的能力，并且降低下限的作用不明显。基于 DSP的信号处理法虽然具有较高的精度而且实时性较好，但功耗较大，不适合野外流量实 时采集，需向集成化、低功耗化方向发展。周期图谱分析和基于Burg的现代谱分析法虽然 具有较好的仿真效果，但实际应用时计算精度不够、处理速度较慢，也有待向微型化方向发 展。
[0005] 综上所述，振动信号分析是流体振动式流量计流量监测和统计的有效方法。因此， 需要研究一种克服W上问题的自适应信号分析方法。本申请提出了一种基于MEEMD的振动 式流量计流量信号特征提取方法，能够有效地对振动信号进行分析，并快速的提取信号特 征，在解决了低流速、小流量特征信号不便提取的同时，还提高了特征信号采集的实时性和 准确性。
【发明内容】
[0006] 本申请提出了一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计流量信号特 征提取方法，包括传感器布置、信号采集、信号分析和处理、信号特征提取四个模块。通过波 形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用 H次B样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行MEEMD分解得到若干IMF分量， 对IMF分量和原信号进行相关分析，选择有用的IMF分量，最后对IMF分量进行HHT变换，得 到流量信号的化化ert时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征。
[0007] MEEMD分解可将流量振动信号分解为一系列具有物理意义的单频率本征模分量 IMF之和，IMF分量是在原信号中加入一对幅值和标准差相等、方向相反的白噪声，经EEMD 分解后再经过多次EMD分解得到的。MEEMD分解不仅解决了 EMD分解中存在的模态混淆 问题，还克服了 ffiMD分解与CEEMD分解中存在的计算量大、模态分裂、白噪声残余等问题。 MEEMD中也存在着端点效应、虚假分量等问题，分别采用波形匹配的自适应端点延拓法、互 相关分析筛选法进行处理。
[0008] 流体振动式流量计流量信号特征提取方法的具体步骤如下： (1) 合理的布置传感器，当管网正常供流时，采集润流发生体周围的振动信号，如说明 书附图2所示； (2) 采用波形匹配的自适应端点延拓法对信号两端进行延拓，信号的延拓包括左延拓 和右延拓，W下仅W左延拓为例，设原始信号为S记； 1) 确定微立端点处的极大值点和极小值点，分别记为1?。、片，记从左端点到K的距离为 L将该段波形记为巧。； 2) 设耗为原始信号臘的极大值的集合，郎作为参考点，计算相同长度上波形馬与 V,'。的匹配度巧巧。，W:，也； 3) 设化典，f，:. PL:)=mLr.濟片町，；PJ，i=L,2,…若心 ￥::，取:，？;:）<c'.L，a 为一常数， 则取Vt.处长度为L且包含极大值与极小值的一段子波，作为原始信号S记的左延拓，延拓完 毕，否则转4); 4) 在原始信号端点处直接指定极大值点，即取最靠近左端点的两个极大值点的平均 值作为极大值点，取最靠近左端点的两个极小值点的平均值作为极小值点； 右端点处的延拓与左端点的延拓类似； (3) 在MEEMD分解之前，采用H次B样条插值法拟合包络线，具体步骤如下： 1) 构造H次B样条曲线的方程为：
【主权项】
1. 一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在 于通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延 拓处理，用三次B样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行MEEMD分解得到若干 IMF分量，对IMF分量和原信号进行相关分析，选择真实的IMF分量，最后对IMF分量进行 HHT变换，得到流量信号的Hilbert时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的 信号特征。
2. 如权利要求1所述的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在于将传感器采集到 的流量振动信号进行端点延拓，采用波形匹配的自适应端点延拓法对两个端点处的波形进 行处理，实现信号端点为极值点。
3. 如权利要求1所述的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在于MEEMD分解时采 用三次B样条包络线拟合法对极值和局部均值进行平滑估计，减小拟合误差。
4. 如权利要求1所述的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在于采用互相关分析 筛选法对MEEMD分解得到的MF分量和原信号进行处理，剔除虚假信号分量，得到有用的特 征信号。
【专利摘要】本申请提出一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计流量特征信号提取方法。通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用三次B样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行MEEMD分解得到若干IMF分量，对IMF分量和原信号进行相关分析，选择有用的IMF分量，最后对IMF分量进行HHT变换，得到流量信号的Hilbert时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征。本方法适用于工业领域管网流体流量的准确、快速计量。
【IPC分类】G01F1-32
【公开号】CN104568024
【申请号】CN201510029686
【发明人】许同乐, 王营博, 陈康, 马金英
【申请人】山东理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月21日