摘(zhai)要:介紹(shao)了渦街(jiē)流量計(jì) 原理,研(yan)究了渦(wo)街信号(hào)處理方(fāng)法,設計(ji)了IIR和FIR數(shù)字濾波(bo)器,并用(yong)⛹🏻‍♀️圖形化(huà)編程軟(ruan)件Lab-VIEW進行(háng)仿真實(shi)驗,觀察(cha)了數字(zì)濾波器(qì)在渦街(jie)🛀信号♍處(chù)理中的(de)效果。
1渦(wō)街流置(zhi)計
　　流量(liang)計量是(shì)計量科(kē)學技術(shu)的組成(cheng)部分之(zhī)一,它與(yu)國民🌈經(jīng)♉.濟、國防(fang)建設、科(ke)學研究(jiu)有着密(mi)切的關(guān)系,随着(zhe)我國工(gōng)♉農業的(de)發展,對(dui)流體流(liú)量的計(ji)量提出(chu)了越來(lái)越多、越(yuè)來越高(gao)的要求(qiu),特别是(shi)在注重(zhong)節省能(neng)源、提高(gao)經濟效(xiào)益和⚽産(chǎn)品質量(liàng)的今天(tiān)，流💃量計(ji)量與測(cè)試的重(zhong)要性就(jiù)更加突(tu)⛹🏻‍♀️出了,并(bing)且爲越(yue)來越多(duo)的🌐人所(suo)認識。在(zài)氣🚶‍♀️體、液(yè)體、蒸汽(qì)的‼️流量(liàng)測量中(zhōng)，渦街流(liu)量計具(ju)有精度(du)高✉️量程(chéng)比💚較寬(kuan)、線性度(dù)較好、壓(yā)力損失(shī)小、性能(neng)可靠、測(cè)量元件(jian)結構簡(jian)單、使用(yong)壽命長(zhǎng)、安☀️裝維(wéi)護方🈲便(bian)、适用各(ge)種🌈介質(zhi)等一系(xì)列的優(yōu)點✨,在計(ji)量檢測(ce)中發揮(hui)越來越(yue)大的作(zuò)用，有着(zhe)廣泛的(de)應用前(qián)景。
2渦街(jiē)信号研(yán)究
　　理想(xiǎng)情況下(xia),渦街流(liú)量傳感(gan)器的輸(shū)出信号(hao)應該是(shi)正弦波(bō)，其頻率(lü)與流體(tǐ)的流速(sù)成正比(bǐ)。然而,工(gong)業現場(chǎng)的⭐噪聲(sheng)是普☔遍(biàn)存在的(de),這些噪(zào)聲信号(hao)包括管(guǎn)道内流(liu)動🙇🏻介質(zhi)的🐇湍流(liú)、脈動、流(liú)場的不(bu)穩定及(jí)不均勻(yún)性對渦(wo)街🍓發生(shēng)體施加(jia)不規則(zé)的附加(jia)作用力(lì)而産🔆生(shēng)的流體(tǐ)流動噪(zao)聲。當規(gui)則渦街(jiē)産生後(hòu),在工作(zuo)信号上(shàng)會叠加(jia)一種1/5到(dào)1/10渦街頻(pín)率🌍的流(liu)體低頻(pín)擺動噪(zao)聲,或輸(shū)送流體(ti)的📧管道(dao)偶爾受(shòu)到外力(li)撞擊,會(hui)産生✂️随(suí)機振動(dòng)噪聲;以(yi)及各種(zhong).動力源(yuán),如水泵(beng)、壓縮機(jī)等的振(zhèn)動由🏃‍♂️管(guǎn)道傳遞(di)到傳感(gǎn)器上,造(zào)成渦街(jiē)發生體(ti)上産生(sheng)附加的(de)慣性應(ying)力,形成(cheng)的振動(dòng)噪聲。因(yīn)此，實際(ji)的渦街(jiē)傳感器(qì)的輸出(chū)信号遠(yuan)非理想(xiang)的正弦(xián)波信号(hao),而是一(yī)個混有(yǒu)強噪聲(shēng)的混合(hé)信号,它(ta)是由兩(liǎng)部分信(xin)号組成(cheng):一是流(liu)速産生(shēng)的渦街(jiē)信🙇‍♀️号S(t),二(èr)是幹擾(rao)引起的(de)噪聲信(xin)号N(t),即實(shí)際的渦(wō)街信号(hào)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zao)聲信号(hao)中又含(hán)有确定(ding)性分量(liang)和随機(ji)分量。随(suí)機分量(liang)可認爲(wei)是服從(cong)高斯分(fen)布的白(bai)噪聲信(xin)号,而确(què)定性分(fen)量是由(yóu)流體低(di)頻擺動(dòng)或動♻️力(lì)源振動(dòng)引起,獨(du)立于渦(wo)街信号(hao),可由另(ling)-一個正(zheng)弦信号(hao)🌈來模拟(nǐ)。因♈此，渦(wo)街傳感(gan)器‼️的輸(shu)出信号(hao)Y(t)可以用(yong)下面的(de)式子近(jin)似表📱示(shi):
 
　　式中:Ao，fo,Q。分(fen)别表示(shì)渦街信(xìn)号S(t)的幅(fu)值、頻率(lü)和初始(shi)相位;A1，f1,Q1分(fèn)别表示(shì)噪😄聲信(xin)号N(t)中諧(xie)波幹擾(rǎo)分量的(de)幅值、頻(pin)率和初(chu)始相位(wèi);d表示噪(zào)聲信✂️号(hao)N(t)中的高(gao)斯分布(bù)白噪聲(shēng)會疊加(jia)在渦街(jie)🏃信号中(zhong),使測量(liàng)結果産(chan)生較明(ming)顯的誤(wù)差。所以(yi),選用适(shì)當的數(shu)字信💁号(hào)處方法(fa)去除信(xìn)号中噪(zao)聲的幹(gan)擾,最大(da)程度的(de)複現流(liu)速信号(hào),是進行(hang)⭐渦街信(xìn)号處理(lǐ)的主要(yào)任務。
3數(shù)字濾波(bō)器的設(shè)計
　　用窗(chuang)函數法(fǎ)設計FIR數(shu)字濾波(bo)器就是(shì)用有限(xian)長的脈(mò)沖響🤩應(ying)序列來(lái)逼近無(wu)限長的(de)脈沖響(xiǎng)應序列(lie)。基本設(shè)計思想(xiǎng)爲:首先(xian)選定一(yi)個理想(xiang)的選頻(pín)濾波器(qì),然後截(jié)取它的(de)脈沖響(xiǎng)應得到(dào)線🥵性相(xiang)位和因(yīn)果的FIR濾(lü)波器。因(yin)此,這種(zhong)方法的(de)重點是(shi)❤️選擇-一(yī)個合适(shì)的窗函(han)數和理(lǐ)想濾波(bō)器。一個(ge)理想低(dī)通濾🏃🏻‍♂️波(bo)器的頻(pin)率響應(ying)爲:
 
　　其中(zhong),;wc是濾波(bō)器的截(jié)止頻率(lǜ),a爲采樣(yang)延遲這(zhè)個濾波(bo)器的☂️脈(mò)沖響應(yīng)具有無(wú)限持續(xù)時間,它(tā)由下式(shi)給定✉️:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關于(yú)a對稱,這(zhe)一點對(duì)于線性(xing)相位濾(lǜ)波器是(shì)有用的(de)🌈。
　　爲了從(cóng)hd(n)得到一(yī)個FIR濾波(bō)器,必須(xu)同時在(zai)兩邊截(jié)取hd(n)。而要(yào)♋得✂️到-一(yī)個因果(guǒ)的線性(xìng)相位濾(lǜ)波器,且(qiě)它h(n)的長(zhǎng).度爲M,這(zhe)種操㊙️作(zuo)叫做“加(jiā)窗”,則🍉h(n)可(kě)以看作(zuo)是hd(n)與窗(chuāng)函數w(n)的(de)乘積:根(gēn)據w(n)的不(bú)🏒同定義(yi)，可以得(dé)到各種(zhong)不同的(de)窗結構(gou)，包括矩(jǔ)形窗、三(sān)角型窗(chuang)、漢甯🏒窗(chuāng)、海明窗(chuang)、布萊克(kè)曼🤟窗等(deng),這裏采(cai)用的是(shì)海明🔴窗(chuang)進行FIR數(shu)字濾波(bō)器的設(she)計。海明(ming)窗這☂️種(zhong)窗函數(shù)是漢甯(níng)窗的一(yī)種變形(xíng),它的形(xing)狀也相(xiang)似于一(yī)個餘弦(xian)曲線。可(kě)定😍義爲(wei):
 
　　窗函數(shu)設計FIR濾(lǜ)波器的(de)步驟:
1)根(gēn)據技術(shu)要求确(que)定待求(qiu)濾波器(qì)的單位(wèi)取樣hd(n)。如(rú)果給出(chū)待求濾(lü)波器的(de)頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那(nà)麽單位(wei)取樣響(xiang)👨‍❤️‍👨應用下(xia)式🚶求出(chū):
 
2)據對過(guò)渡帶及(jí)阻帶衰(shuai)減的要(yào)求,選擇(zé)窗函數(shù)的形式(shi)，并估🚩計(jì)窗口長(zhǎng)度n。
3)計算(suàn)濾波器(qi)的單位(wei)取樣響(xiang)應h(n)。
4)驗算(suàn)技術指(zhǐ)标是否(fou)滿足要(yào)求。設計(ji)出的濾(lǜ)波器頻(pín)率響應(ying)用❤️下式(shi)計算:
 
　　計(ji)算上式(shì)時可以(yǐ)用FFT算法(fǎ)。如果H(ejw)不(bú)滿足要(yào)求,根據(ju)具體情(qíng)況重複(fú)2,3,4步,直到(dào)滿足要(yao)求。
　　流速(su)信号中(zhong)存在大(dà)量的噪(zao)音幹擾(rǎo)信号,由(you)管道振(zhen)動、外界(jie)振動引(yǐn)起的幹(gàn)擾信号(hao),還有50Hz交(jiao)流電的(de)幹擾💋信(xin)号🙇🏻,真正(zheng)的現場(chang)存在的(de)幹擾要(yào)比這些(xiē)強得多(duō),也就是(shì)使用捕(bu)捉☀️數字(zi)脈💁沖的(de)檢測方(fang)式不能(néng)檢測出(chu)低流速(sù)下的信(xin)号,這💜些(xiē)信号都(dōu)對流速(su)的‼️測量(liàng),特别是(shi)低流速(su)的測量(liang)産生很(hen)壞的影(ying)響。所以(yi)必須對(dui)原♍始信(xìn)号進行(háng)處理。從(cóng)數字濾(lü)波前後(hou)的流速(su)信号波(bo)形對比(bǐ)可以看(kàn)出，濾波(bō)後的波(bō)形要平(ping)滑的多(duō),也就😄是(shi)将大部(bu)分的噪(zao)音📞信号(hào)去除了(le),這樣就(jiu)可以方(fang)便進行(hang)計算，得(dé)出流速(su)值。從數(shu)字濾波(bō)後的波(bō)形圖可(ke)✊以看出(chu),IIR濾波和(hé)FIR濾波都(dōu)能夠達(da)到不錯(cuo)的效果(guo)，都可以(yi)完成流(liú)速信号(hao)的檢測(cè)🚶‍♀️,可以根(gen)據它們(men)的适用(yòng)場合和(he)适用條(tiao)件不同(tóng),決定選(xuǎn)用具體(ti)的濾波(bo)方法，達(dá)到檢測(ce)流速信(xìn)号的效(xiào)果。

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