摘(zhai)要:介紹(shao)了渦街(jie)流量計(ji) 原理,研(yan)究了渦(wo)街信号(hao)處理方(fang)法,設計(ji)了IIR和FIR數(shu)字濾波(bo)器,并用(yong)圖形化(hua)編程軟(ruan)件Lab-VIEW進行(hang)仿真實(shi)驗,觀察(cha)了🛀🏻數字(zi)濾波器(qi)在渦街(jie)信号處(chu)理中的(de)效果。
1渦(wo)街流置(zhi)計
　　流量(liang)計量是(shi)計量科(ke)學技術(shu)的組成(cheng)部分之(zhi)一,它與(yu)⛷️國民經(jing).濟、國防(fang)建設、科(ke)學研究(jiu)有着密(mi)切的關(guan)系,随😍着(zhe)我國工(gong)💃🏻農業🏒的(de)發展,對(dui)流體流(liu)量的計(ji)量提出(chu)了越來(lai)越🔅多、越(yue)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(xiao)益和産(chan)品質量(liang)的今天(tian)，流量計(ji)量與測(ce)試的重(zhong)要性就(jiu)更加突(tu)出了,并(bing)且爲🐆越(yue)來越多(duo)的🛀人所(suo)認識。在(zai)氣體、液(ye)體、蒸汽(qi)的流量(liang)測量中(zhong)，渦街流(liu)量計具(ju)有精度(du)高量程(cheng)比較寬(kuan)、線性✉️度(du)較好、壓(ya)力損失(shi)小、性能(neng)可靠、測(ce)量元件(jian)結構簡(jian)單、使用(yong)壽命長(zhang)、安裝維(wei)護方便(bian)、适用各(ge)種介質(zhi)等一系(xi)列的優(you)點♍,在計(ji)量檢測(ce)中發揮(hui)越來越(yue)大☁️的作(zuo)用，有着(zhe)廣泛的(de)應用前(qian)景。
2渦街(jie)信号研(yan)究
　　理想(xiang)情況下(xia),渦街流(liu)量傳感(gan)器的輸(shu)出信号(hao)應該是(shi)正弦波(bo)，其頻率(lü)與流體(ti)的流速(su)成正比(bi)。然而,工(gong)業現場(chang)的噪聲(sheng)是普遍(bian)存在的(de),這些噪(zao)聲信号(hao)包括管(guan)道内流(liu)動介質(zhi)的湍流(liu)、脈動、流(liu)場的不(bu)穩定及(ji)不均勻(yun)性對渦(wo)街發生(sheng)體施加(jia)不規則(ze)的附加(jia)作用力(li)而産生(sheng)的流體(ti)流動噪(zao)聲。當規(gui)則渦街(jie)産生後(hou),在工作(zuo)信号上(shang)會叠加(jia)一🈲種1/5到(dao)1/10渦街頻(pin)率的流(liu)體低頻(pin)擺動噪(zao)聲,或輸(shu)送☀️流體(ti)的管道(dao)偶爾受(shou)到外力(li)撞擊,會(hui)産生随(sui)機振動(dong)噪聲;以(yi)及❤️各種(zhong).動力源(yuan),如水泵(beng)、壓縮機(ji)等的振(zhen)動由管(guan)道傳遞(di)到傳感(gan)器上,造(zao)成渦街(jie)發生體(ti)🤟上産生(sheng)附加的(de)慣性應(ying)力,形成(cheng)的振動(dong)噪聲。因(yin)此，實⭐際(ji)的渦街(jie)傳感器(qi)的輸出(chu)信🈲号遠(yuan)非理想(xiang)的正弦(xian)波💋信号(hao),而是一(yi)個混有(you)強噪聲(sheng)的混合(he)信号,它(ta)是由兩(liang)部分信(xin)号㊙️組成(cheng):一是流(liu)速産生(sheng)的渦街(jie)🌈信号S(t),二(er)是幹擾(rao)引起的(de)噪聲信(xin)号N(t),即實(shi)際的渦(wo)街信号(hao)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zao)聲🚶‍♀️信号(hao)中又含(han)有确定(ding)性分量(liang)和随機(ji)分量。随(sui)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(que)定性分(fen)量是由(you)流體低(di)頻擺動(dong)🔞或動力(li)源振動(dong)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(ni)。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(shi)渦街信(xin)号S(t)的幅(fu)值、頻率(lü)和初始(shi)相位;A1，f1,Q1分(fen)别表示(shi)噪聲信(xin)号N(t)中諧(xie)波幹擾(rao)分量的(de)幅值、頻(pin)率和初(chu)始相位(wei);d表示噪(zao)聲信号(hao)N(t)中的高(gao)斯分布(bu)白噪聲(sheng)會疊加(jia)在渦街(jie)信号中(zhong),使測量(liang)結果産(chan)生較明(ming)顯的誤(wu)差。所以(yi),選用适(shi)當的數(shu)字信号(hao)處方法(fa)去除信(xin)号中噪(zao)聲的幹(gan)擾,最大(da)程度的(de)複現流(liu)速信号(hao),是進行(hang)渦街信(xin)号處理(li)的主要(yao)任務。
3數(shu)字濾波(bo)器的設(she)計
　　用窗(chuang)函數法(fa)設計FIR數(shu)字濾波(bo)器就是(shi)用有限(xian)長的脈(mo)沖響應(ying)序列🔞來(lai)逼近無(wu)限長的(de)脈沖響(xiang)應序列(lie)。基本設(she)計思想(xiang)爲:首先(xian)選定一(yi)個理想(xiang)的選頻(pin)濾波器(qi),然後截(jie)取它的(de)脈👨‍❤️‍👨沖響(xiang)應得到(dao)線❄️性相(xiang)位和因(yin)果的FIR濾(lü)波器。因(yin)此,這種(zhong)方法❤️的(de)重點是(shi)選擇-一(yi)個合适(shi)的窗函(han)數和理(li)想濾波(bo)器。一個(ge)理想低(di)通濾波(bo)器的頻(pin)率響應(ying)爲:
 
　　其中(zhong),;wc是濾波(bo)器的截(jie)止頻率(lü),a爲采樣(yang)延遲這(zhe)個濾波(bo)器💯的脈(mo)沖響應(ying)具有無(wu)限持續(xu)時間,它(ta)由下式(shi)給定:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關于(yu)a對稱,這(zhe)一點對(dui)于線性(xing)相位濾(lü)波器是(shi)有用的(de)。
　　爲了從(cong)hd(n)得到一(yi)個FIR濾波(bo)器,必須(xu)同時在(zai)兩邊截(jie)取hd(n)。而要(yao)得到-一(yi)♈個因果(guo)的線性(xing)相位濾(lü)波器,且(qie)它h(n)的長(zhang).度🆚爲M,這(zhe)種操作(zuo)叫做“加(jia)窗”,則h(n)可(ke)以看作(zuo)是hd(n)與窗(chuang)函數w(n)的(de)乘積:根(gen)據w(n)的不(bu)同定義(yi)，可以得(de)到各種(zhong)不同的(de)窗結💋構(gou)，包括矩(ju)❤️形窗、三(san)角型窗(chuang)、漢甯窗(chuang)、海明窗(chuang)、布萊克(ke)曼窗等(deng),這裏采(cai)🐉用的是(shi)海明窗(chuang)進行FIR數(shu)字濾波(bo)器的設(she)🔴計。海明(ming)窗這種(zhong)窗函數(shu)是漢甯(ning)窗的一(yi)種變形(xing),它的形(xing)狀也相(xiang)👣似于一(yi)☀️個餘弦(xian)曲線。可(ke)定義爲(wei):
 
　　窗函數(shu)設計FIR濾(lü)波器的(de)步驟:
1)根(gen)據技術(shu)要求确(que)定待求(qiu)濾波器(qi)的單位(wei)取樣hd(n)。如(ru)果💔給出(chu)待求㊙️濾(lü)波器的(de)頻率響(xiang)應爲Hd(ejw),那(na)麽單位(wei)取樣響(xiang)✍️應用下(xia)式求出(chu):
 
2)據對過(guo)渡帶及(ji)阻帶衰(shuai)減的要(yao)求,選擇(ze)窗函數(shu)的形式(shi)✍️，并❗估計(ji)窗口長(zhang)度n。
3)計算(suan)濾波器(qi)的單位(wei)取樣響(xiang)應h(n)。
4)驗算(suan)技術指(zhi)标是否(fou)滿足要(yao)求。設計(ji)出的濾(lü)波器頻(pin)率響應(ying)用下✔️式(shi)計算:
 
　　計(ji)算上式(shi)時可以(yi)用FFT算法(fa)。如果H(ejw)不(bu)滿足要(yao)求,根據(ju)具體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻情(qing)況重複(fu)2,3,4步,直到(dao)滿足要(yao)求。
　　流速(su)信号中(zhong)存在大(da)量的噪(zao)音幹擾(rao)信号,由(you)管道振(zhen)動、外界(jie)振動♉引(yin)起的幹(gan)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(yao)比這些(xie)強得多(duo),也就是(shi)使用捕(bu)捉數字(zi)脈沖的(de)檢測方(fang)式不能(neng)檢測出(chu)低流速(su)下的信(xin)号,這些(xie)信号都(dou)對流速(su)的測量(liang),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(xin)号進行(hang)♻️處理。從(cong)數字濾(lü)波前後(hou)的流速(su)信号波(bo)形對比(bi)可以看(kan)出，濾波(bo)後的波(bo)形要平(ping)滑的多(duo),也就是(shi)将大部(bu)分的噪(zao)音♉信号(hao)去除了(le),這樣就(jiu)可以方(fang)便進行(hang)計算⛹🏻‍♀️，得(de)出流速(su)值。從數(shu)字🈲濾波(bo)後的波(bo)形圖可(ke)🐕以看出(chu),IIR濾波和(he)FIR濾📞波都(dou)能夠達(da)到不錯(cuo)的效果(guo)，都可以(yi)完成流(liu)速信号(hao)的檢測(ce),可以根(gen)據它們(men)的适用(yong)場合和(he)适用條(tiao)件不同(tong),決定選(xuan)用具體(ti)的濾波(bo)方法，達(da)到檢測(ce)流⛹🏻‍♀️速信(xin)号的效(xiao)果。

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