摘 要：为了研究涡街流量计实际流量信号的能量分布情况，提出了一种基于功率谱幅度的涡街流量计信号能量的表征方法．在此 基础上，定义了涡街信号的功率谱能量比，定量讨论实际流量信号在整个涡街流量计输出信号中的能量变化规律．结果表明，涡街信 号的功率谱能量比分散性较大；当被测介质为水和空气时，其值分别介于38％～96％和1o％～65％；并且在靠近发生体的地方功率 谱能量比的值较大，涡街信号强、易于检测．因此，功率谱能量比可作为优化选择涡街流量计检测元件位置的参数之一．
关键词：信号分析；特征提取；涡街流量计；旋涡能量；功率谱；快速傅里叶变换
作为一类测量精度较高、压力损失较小的新型 流量仪表，涡街流量计目前已被广泛应用于液体、气 体和蒸汽的流量测量l1]．由于它同时具有结构简单、 无可动部件、量程比宽和对被测介质物性变化不敏感等特点，近年来涡街流量计发展速度之快、应用范围之广是许多流量仪表所不及的．但是，同时还应当看到，虽然涡街流量计经历了30多年的发展，但它尚属发展中的仪表，理论基础和实践经验都有待深化和积累，各种检测技术的应用也有待完善L2J．因此，研究涡街流量计并不断改良其测量性能具有重 要的实际意义．目前对于涡街流量计的研究主要集中在流量信号的准确提取和旋涡发生体的优化．一方 面，从本质上讲涡街流量计属于流体振动型流量计， 因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的 干扰不可避免地会叠加到测量信号上，从而使得其测量精度降低．要准确地获得涡街流量信号必须有效地去除其中的噪声成分，因此将各种信号处理方法用于涡街流量计信号的去噪成为研究热点之一[3 ]．另一方面，涡街流量计的流量特性(如仪表系数、线性度、 重复性、范围度)和阻力特性都与旋涡发生体的形状 和几何参数密切相关，旋涡发生体被视为涡街流量计的核心部件．而目前对于发生体的设计尚无严密的理论，也无系统的计算方法，大多是以实验为依据来确定发生体的形状和参数．所以优化设计旋涡发生体的形状和几何参数成为涡街流量计研究的又一热w]．此外，不少研究者还在利用涡街流量计实现质量流量的直接测量方面做了很有意义的探索工作 ．
在涡街流量计中不管采用什么方式或元件来检 测旋涡，对于它们的研究都依赖于对涡街流量计信号 本质的研究．如前所指出，由于各种干扰的叠加，涡街 流量计输出信号可看成一复合信号，实际的流量信号 只是其中的一个分量，因此，正确表征并研究涡街流 量计中实际流量信号的规律，能够加深人们对于涡街 现象的认识，有助于涡街流量计的优化设计．
基于以上目的，本文对实验测得的被测介质分别 为水和空气的涡街流量计信号进行了功率谱分析．不 同于一般以求取信号频率为目的的谱分析方法，作者 把研究的重点放在功率谱的幅度上，用功率谱的幅度 值定义了涡街流量计信号的能量，即涡街流量计信号 能量的功率谱式表征；同时提出了一个新的参数—— 涡街信号功率谱能量比，讨论了实际流量信号(即对 应于功率谱的主峰成分)在整个涡街流量计输出信号 中的能量随被测介质和流量的变化规律，并试图将它 用于涡街流量计中检测元件位置的优化．
1功率谱分析及其幅度
信号的功率谱密度反映了信号的功率在频域中 随频率的分布．时域的涡街信号在涡街频率处有一 能量集中，所以通过谱分析方法，将时域的信号转化 到频域，能方便地提取出涡街频率值．
对涡街信号进行A／D采样，得到一离散时间序 列z( )，功率谱Px( )定义为：
式中：7"x( )为信号z( )的自相关函数，定义为：
式中：X( )是z( )在 一一M～M时的离散傅里 叶变换．式(3)求均值和求极限是必要的，这样才能
保证与式(1)的定义等效．但在实际应用中，求均值 和极限是无法实现的，只能通过各种算法估计信号 功率谱．本文采用直接法，通过傅里叶变换，并用快 速傅里叶算法(FFT)来实现的．把随机信号z( )的 N点观察数据z ( )视为一能量有限信号，直接取 zN( )的傅里叶变换，得X ( )，将cu在单位圆上 等间隔取值，得X (志)，由离散傅里叶变换(DFT) 的定义得：
求出功率谱最大值所在的频率就为涡街的频率．需要指出的是，功率谱分析方法的主要优点在于物理意义明确，并且功率谱幅度值与信号的能量有关．
2实验装置与条件
在管内流动介质分别为水和空气的情况下均进 行了实验，整个实验测试系统由动力设备、稳压设 备、标准流量表、前直管段、实验段和后直管段等六 部分组成，如图1所示．涡街流量计测量管的内直径 D一50 mm，旋涡发生体的横截面为梯形，迎流面宽 度 一14 mm，涡街信号通过管壁差压法获取_1 ，管 壁差压的取压孔选择在发生体后的三对不同位置
