摘(zhāi)要:傳統(tong)渦街流(liú)量計 由(you)于抗幹(gan)擾性差(cha)、測量精(jīng)度低等(deng)難以滿(mǎn)足實際(jì)測💋量的(de)需求,開(kāi)發抗擾(rao)型高渦(wō)街流量(liang)計已成(chéng)爲當前(qian)流量測(cè)量領域(yù)的重要(yao)發🈲展方(fāng)向。針對(duì)現有産(chan)品存在(zài)的問題(tí),設計了(le)一種㊙️嵌(qian)入式渦(wo)街流量(liang)計,給出(chū)了硬件(jian)組成結(jie)構和相(xiàng)關電路(lù)原理圖(tu);并在🚩信(xìn)号處理(lǐ)算法上(shàng),采用🐅Chirp-Z變(bian)換的頻(pín)譜校正(zheng)方法,對(dui)經FFT變換(huan)後的🔅渦(wo)街信号(hao)的頻譜(pǔ)主瓣進(jìn)行局部(bù)細化,從(cong)而在運(yun)算量增(zēng)加不多(duo)的情況(kuàng)下,提高(gao)了渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)精度。并(bìng)通過Matlab仿(pang)真實驗(yan)對該頻(pin)譜校正(zhèng)方法進(jìn)行有效(xiào)性驗證(zhèng)。仿真結(jie)果表明(ming):該方🚶‍♀️法(fǎ)具有校(xiào)正精度(du)高,響應(yīng)速度快(kuai)和使用(yòng)靈活的(de)特點。
0引(yǐn)言
　　渦街(jiē)流量計(jì)廣泛應(ying)用于過(guo)程測量(liang)和控制(zhi)儀表中(zhōng)。但在測(cè)量現🐅場(chǎng),由于各(ge)種機械(xie)振動和(hé)流場的(de)不穩定(dìng),使得渦(wo)街信号(hao)中.摻雜(za)🚶了各種(zhong)噪聲和(he)幹擾,不(bu)能有效(xiao)提取準(zhun)确的渦(wo)街頻率(lü)信号,影(yǐng)響🏃‍♀️了流(liu)量計的(de)測量精(jīng)度。随着(zhe)單片機(ji)和DSP發展(zhan),國内外(wai)專家相(xiàng)繼提出(chu)采用各(ge)種數字(zi)信号處(chù)理的有(yǒu)關算📞法(fa)來處理(lǐ)渦💋街信(xin)号,其中(zhong)FFT因其方(fāng)法直觀(guān),易于編(bian)程實現(xiàn)而被廣(guǎng)泛應用(yong),但由于(yu)FFT的栅欄(lán)效應，使(shǐ)得直接(jiē)采用FFT變(biàn)換所獲(huò)♉得的頻(pín)譜具有(yǒu)固定的(de)采樣間(jiān)距△f(△f=Fs/N,爲👉系(xì)統分辨(biàn)率),從而(er)産生最(zuì)大爲0.5Fs/N的(de)頻🔞率測(cè)量誤差(chà)。爲了提(ti)高系統(tong)🔆分辨率(lǜ)，在相同(tong)的采樣(yang)點數下(xia)，就必須(xū)減小采(cai)樣頻率(lǜ),而采樣(yàng)頻率又(yòu)受到香(xiāng)農采樣(yang)定理的(de)約束;若(ruò)不改變(bian)采樣頻(pin)率,隻能(neng)增加采(cǎi)樣❄️點數(shù)N,又會增(zeng)加數據(ju)🏃🏻‍♂️的存儲(chu)量💋和計(jì)算量,降(jiang)低了系(xi)統的實(shí)時性。可(ke)見,單純(chún)用FFT很難(nan)進一✊步(bu)提高測(cè)量精度(dù),隻有對(duì)FFT的結果(guo)進行一(yi)定的改(gǎi)進和校(xiào)正,才能(néng)提取更(geng)精确的(de)頻率、幅(fu)值和相(xiang)位信息(xi)。爲此設(shè)計一種(zhǒng)嵌人式(shi)渦街流(liu)量計🙇‍♀️,在(zai)算法上(shang)利用Z平(ping)面上的(de)一段螺(luo)旋線做(zuo)等間隔(ge)采樣的(de)Z變換,在(zài)局部頻(pín)段内進(jìn)行頻譜(pu)☀️細💃化,以(yǐ)達到進(jin)一步提(ti)高測量(liàng)精度的(de)目的。
1渦(wō)街流計(ji)工作原(yuan)理與系(xì)統組成(chéng)
1.1渦街流(liú)量h計工(gōng)作原理(lǐ)
　　渦街流(liu)量計是(shi)基于卡(ka)門渦街(jiē)原理制(zhi)成的一(yī)種流🙇🏻體(tǐ)振蕩❓性(xing)流量計(jì)，即在流(liu)動的流(liu)體中放(fang)置一個(ge)非流線(xian)型的對(dui)稱形狀(zhuàng)的物體(ti){渦街流(liú)量傳感(gǎn)器中稱(cheng)✊之爲漩(xuán)渦發生(sheng)體)，就會(huì)在其下(xià)流兩側(cè)👅産生2列(lie)有規律(lü)的漩渦(wo)即卡門(men)渦街,其(qí)漩渦頻(pín)率正比(bi)于來流(liú)速度:
F=Stʋ/D
　　式(shì)中:F爲單(dān)列漩渦(wō)頻率,Hz;D爲(wèi)漩渦發(fā)生體寬(kuān)度,m;ʋ爲漩(xuán)渦發生(shēng)體兩側(cè)平均流(liu)速,m/s;St爲特(tè)勞哈爾(er)數,無量(liàng)綱,St的值(zhi)與漩渦(wō)發生體(tǐ)寬度㊙️D和(he)雷諾數(shu)Re有關。
1.2硬(yìng)件系統(tǒng)組成結(jie)構
　　根據(ju)渦街流(liu)量計的(de)特點和(hé)數字信(xin)号處理(lǐ)的運算(suàn)要求,選(xuan)擇📧了🔴dsPIC30F6012單(dan)片機作(zuò)爲核心(xīn)部件,它(tā)是一種(zhǒng)16位微‼️處(chu)理器。其(qí)内部🏃集(jí)成有1個(ge)16位CPU和1個(gè)DSP内核,當(dang)内部時(shi)鍾頻率(lü)爲最高(gāo)120MHz時,進行(háng)1次🏃🏻‍♂️16bitx16bit運算(suàn)爲💋8.3ns等特(tè)點。系統(tǒng)組成主(zhu)⭐要包括(kuò):檢測電(dian)路、放大(dà)電路、顯(xiǎn)示電路(lu)、通信接(jiē)口電路(lu)等,其系(xì)統組成(cheng)框圖如(rú)圖1所示(shì)。渦街傳(chuan)感器采(cai)集流量(liang)信号,壓(ya)力、溫度(du)傳感器(qì)采♊集流(liu)體溫度(du)、壓力信(xin)号對流(liú)量信号(hào)加☁️以實(shi)時✉️補償(chang)和修正(zheng)。
 
1.3前置放(fàng)大器電(dian)路設計(ji)
　　前置放(fàng)大器由(yóu)電荷/電(diàn)壓轉換(huàn)器、電壓(ya)放大器(qi)、低通濾(lü)🏃🏻‍♂️波器組(zǔ)成🍓。采用(yong)雙端輸(shu)人的電(dian)荷/電壓(yā)轉換器(qi),它把探(tan)頭壓電(dian)晶體輸(shū)出的♈交(jiāo)變電荷(hé)信号變(biàn)換成與(yǔ)電荷量(liàng)成正比(bi)的電壓(yā)信号。電(diàn)壓放大(dà)器則利(li)用同相(xiang)輸人的(de)🐕放大器(qi)來得到(dao)幅度适(shi)當的電(diàn)壓信号(hao)。設置低(di)通濾波(bō)器的作(zuò)用是爲(wei)了消除(chú)渦街信(xin)号中夾(jia)帶的複(fu)雜噪聲(shēng)🔴。前置放(fàng)大器具(ju)體實現(xiàn)電路如(rú)圖2所示(shì)。
 
2系統的(de)軟件設(she)計
2.1渦街(jie)流量計(jì)信号采(cai)集和處(chù)理算法(fǎ)
　　N點FFT計算(suàn)的頻譜(pu)實際上(shang)是Z平面(mian)單位圓(yuan)上的N點(dian)等間🥵隔(ge)采樣,Chirp-Z變(bian)換⭐(即CZT)是(shi)Z平面螺(luó)旋線周(zhou)線上Z變(bian)換的等(deng)間隔取(qu)樣,這些(xie)取樣在(zài)💯螺旋線(xiàn)的某--部(bu)分上按(an)等角度(du)分布。具(jù)體地說(shuō),令x(n)表示(shi)N點序列(lie),X(z)表示其(qi)Z變換,而(er)利用CZT算(suan)法,可以(yǐ)計算給(gěi)定🈲點z的(de)X(z),N點x(n)的Chirp-Z變(bian)換爲:
 
　　這(zhè)裏ƒ(n)和h(n)的(de)離散卷(juàn)積可以(yi)用ƒ(n)和h(n)的(de)适當段(duan)的圓周(zhōu)卷積來(lái)實現✏️，而(ér)圓周卷(juàn)積可用(yong)FFT的方法(fǎ)求得。式(shì)(3)的計算(suàn)流程可(kě)用圖3所(suǒ)示的線(xian)性系統(tǒng)來表示(shi):
 
2.2處理算(suan)法實現(xiàn)步驟
CZT變(biàn)化的具(jù)體步驟(zhou)如下:
(1)給(gěi)定采樣(yang)數據x(n),信(xìn)号長度(dù)N,信号的(de)采樣頻(pin)率Fs;
(2)對x(n)先(xiān)做FFT變換(huàn),确定頻(pín)譜的頻(pín)段;
(3)确定(ding)待分析(xi)頻段的(de)起始頻(pín)率ƒb,頻寬(kuān)ƒw,取樣點(dian)數M以.及(jí)要達🍉到(dao)的頻率(lǜ)分辨力(li)△ƒ,後3個參(cān)數滿足(zú)△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分(fèn)析變換(huàn)結果,包(bao)括譜峰(feng)位置，大(da)小和相(xiàng)位等。
3系(xi)統仿真(zhen)實驗
3.1渦(wo)街信号(hao)模型的(de)建立
　　理(li)論上渦(wo)街流量(liang)計的輸(shu)出爲正(zhèng)弦波,而(ér)實際的(de)輸出信(xin)🛀号中往(wang)往含有(yǒu)各種不(bú)同的噪(zao)聲和幹(gàn)擾成分(fèn),但在信(xin)号不被(bèi)幹擾淹(yan)沒的情(qíng)況下,其(qí)主要能(néng)量仍🙇‍♀️集(jí)中在有(yǒu)用的渦(wō)街頻率(lü)點上😘。因(yin)此,根據(ju)渦街流(liú)量❤️計檢(jian)測信号(hào)的特點(diǎn)和噪聲(shēng)分析建(jian)立具有(yǒu)以下形(xing)☎️式的渦(wō)街信号(hào)模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式(shì)中:ƒ1爲信(xin)号頻率(lü);ƒ2爲周期(qī)性噪聲(sheng)頻率;A1<A2;randn(size(t))爲(wèi)高斯白(bái)噪聲。
　　對(dui)于某一(yī)固定口(kǒu)徑的流(liú)量計,其(qi)量程比(bi)一般爲(wei)1:10,以DN50爲例(lì)🧡，其氣體(ti)和液體(tǐ)的頻率(lǜ)測量範(fan)圍分别(bie)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據(ju)⭐由某♈儀(yi)表✏️廠提(tí)供)，而包(bāo)含于.渦(wō)街信号(hào)的周期(qi)性噪聲(sheng)主要的(de)出現在(zai)40Hz、50Hz至幾百(bai)Hz的頻帶(dài)内文中(zhōng)的仿真(zhen)實驗以(yǐ)檢測氣(qì)體流量(liang)📐的頻率(lü)爲例。
3.2仿(páng)真實驗(yàn)結果
　　仿(pang)真實驗(yan)參數設(shè)定如下(xià):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲(wèi)諧波幹(gan)擾頻率(lǜ)。仿真實(shí)驗内容(rong)分别爲(wei)利用FFT和(he)CZT變換兩(liang)種方法(fa)來提取(qǔ)渦街信(xìn)号的主(zhu)頻。按照(zhao)建立的(de)渦街信(xin)号模型(xing),取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦(wō)街信号(hao)在時域(yu)上的波(bo)形如🈲圖(tú)4所示。從(cong)圖中可(ke)以看出(chū),信号中(zhōng)混疊着(zhe)各種噪(zào)聲和幹(gan)擾,且渦(wō)街信号(hào)頻率越(yuè)低，噪聲(sheng)幹擾越(yue)明顯。
 
　　對(dui)渦街信(xin)号做FFT變(bian)換,并在(zai)Matlab環境下(xià)進行仿(páng)真,得到(dào)圖5所示(shi)的頻譜(pǔ)圖,圖中(zhong)譜峰值(zhi)最大的(de)即爲渦(wo)街信号(hao)的頻率(lǜ)值,将圖(tú)5局部放(fang)大得到(dao)圖6。從圖(tu)6中可以(yi)看出:渦(wō)街信号(hao)的頻率(lǜ)大概在(zai)368Hz附近。
 
　　在(zài)FFT變換的(de)基礎上(shàng),先确定(ding)頻譜中(zhong)主瓣的(de)位置(仿(pang)真實驗(yan)中取最(zuì)大值和(he)次最大(da)值之間(jian)作爲局(jú)部放大(dà)👈的主瓣(ban)位置),然(rán)✂️後在此(cǐ)區💘間進(jin)行CZT變換(huàn),仿真結(jié)果如圖(tú)7所示:
 
　　渦(wō)街信号(hao)的頻率(lǜ)在364.24Hz附近(jìn),誤差爲(wei)0.03Hz,與隻采(cǎi)用FFT變換(huàn)的結果(guo)相比,測(cè)💰量精度(du)明顯提(tí)高。
　　用同(tóng)樣的方(fang)法,通過(guò)對待檢(jian)測的氣(qi)體流量(liàng)輸出信(xin)号頻率(lü)的各頻(pín)段各取(qu)2個頻率(lü)點,共8組(zu)數據,進(jin)行仿☎️真(zhen)實驗,将(jiāng)FFT方法和(hé)CZT方法進(jin)☂️行比較(jiao),結果如(ru)表1所示(shi)。從表1可(ke)以看出(chū)，經CZT方法(fa)校🈲正後(hòu)的絕對(dui)誤差基(jī)本控制(zhi)在0.02Hz内,精(jing)度大大(da)提高。
 
5結(jié)束語
　　在(zài)渦街流(liú)量計中(zhōng)采用Chirp-Z變(bian)換的頻(pín)譜校正(zhèng)方法來(lái)提高☎️的(de)測量精(jing)度,該方(fang)法的基(jī)本原理(lǐ)是先進(jin)行FFT變換(huàn),确定頻(pin)譜中主(zhǔ)瓣的位(wèi)置💘,然後(hòu)再用Chirp-Z變(biàn)換對主(zhu)瓣進行(hang)局部細(xì)化,從而(er)降低🔞頻(pín)譜上的(de)采樣間(jiān)隔,達到(dao)提高渦(wō)街流量(liàng)計的測(cè)量精度(dù)的目的(de),從仿真(zhen)實驗的(de)結果來(lái)看,校正(zhèng)後的絕(jue)對誤差(cha)基本保(bao)持在0.02Hz以(yǐ)内，提⛱️高(gao)了渦街(jiē)流量計(jì)的測量(liàng)精度,滿(man)足了渦(wo)街流量(liàng)計實際(ji)測量的(de)需要。

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