摘要:傳(chuan)統渦街流(liu)量計
由于(yu)抗幹擾性(xing)差、測量精(jing)度低等難(nan)以滿足實(shi)際測量的(de)需🥰求,開發(fa)抗擾型高(gao)渦街流量(liang)計已成爲(wei)當前流量(liang)測量領域(yu)🤟的重要發(fa)展方向。針(zhen)對現有産(chan)品存🐕在的(de)問題,設計(ji)了一種嵌(qian)入式✂️渦街(jie)流量計,給(gei)出了硬件(jian)組成結構(gou)和相關電(dian)路原理圖(tu);并在信号(hao)處理算法(fa)上,采用🏃🏻♂️Chirp-Z變(bian)換的頻譜(pu)校正方法(fa),對經FFT變換(huan)後的💞渦街(jie)信号的頻(pin)譜主瓣進(jin)行局部細(xi)化,從而在(zai)運算量增(zeng)加不📧多的(de)情況下,提(ti)高了渦街(jie)✉️流量計的(de)測量精度(du)。并通過Matlab仿(pang)真實🎯驗對(dui)該頻譜校(xiao)正方🌐法進(jin)行有效性(xing)驗證。仿真(zhen)結果表明(ming):該方法具(ju)有校正精(jing)❄️度高,響應(ying)速度快和(he)使用靈活(huo)的特點。
0引(yin)言
渦街流(liu)量計廣泛(fan)應用于過(guo)程測量和(he)控制儀表(biao)中。但在測(ce)量現場,由(you)于各種機(ji)械振動和(he)流場的不(bu)穩定,使得(de)渦街信⛹🏻♀️号(hao)中.摻雜了(le)各種噪聲(sheng)和幹擾,不(bu)能有效提(ti)取準确的(de)渦街頻率(lü)信号,影響(xiang)了流量計(ji)的測量精(jing)度。随着單(dan)片機和DSP發(fa)展,國内外(wai)專家相繼(ji)提♈出采用(yong)各種🔞數字(zi)信号處理(li)的有關算(suan)法來處理(li)渦街信号(hao),其中FFT因其(qi)方法直觀(guan),易于編程(cheng)實現而被(bei)廣泛應用(yong),但由于FFT的(de)🔞栅欄效應(ying)，使得直接(jie)采用FFT變換(huan)所獲得的(de)頻譜具有(you)固🙇♀️定的采(cai)樣間距△f(△f=Fs/N,爲(wei)系統分辨(bian)率),從而産(chan)生最大爲(wei)0.5Fs/N的頻率測(ce)量誤差。爲(wei)了提高🐪系(xi)統分辨率(lü)，在相同的(de)采樣點數(shu)下，就必須(xu)減小采樣(yang)頻率,而采(cai)樣頻率又(you)受到香農(nong)采樣定理(li)的約束;若(ruo)不改變采(cai)樣頻率,隻(zhi)能增加㊙️采(cai)樣🌏點🔞數N,又(you)會增加數(shu)據的存儲(chu)量和計算(suan)量,降低了(le)系統的實(shi)時性。可見(jian),單純用FFT很(hen)難進一步(bu)提高測量(liang)精度,隻🛀有(you)對FFT的結果(guo)進行一定(ding)的改進和(he)校正,才能(neng)提🏃取更精(jing)确的頻率(lü)、幅值和♊相(xiang)位信息。爲(wei)此設計一(yi)種嵌人式(shi)渦街流量(liang)計,在算法(fa)上利用Z平(ping)面上的一(yi)段螺旋線(xian)做等間隔(ge)采樣的Z變(bian)換,在局部(bu)頻段内進(jin)行頻譜細(xi)☁️化,以達到(dao)進一步提(ti)高🚶♀️測量精(jing)度的目的(de)。
1渦街流計(ji)工作原理(li)與系統組(zu)成
1.1渦街流(liu)量h計工作(zuo)原理
渦街(jie)流量計是(shi)基于卡門(men)渦街原理(li)制成的一(yi)種流☀️體振(zhen)蕩性流量(liang)計，即在流(liu)動的流體(ti)中放置一(yi)個非流線(xian)型的對稱(cheng)形狀的物(wu)體{渦街流(liu)量傳感器(qi)中稱之爲(wei)漩渦發生(sheng)體)，就會在(zai)其下流兩(liang)側産生2列(lie)有規律的(de)漩渦⭐即卡(ka)門渦街,其(qi)漩渦頻率(lü)正比于來(lai)流速度:
F=Stʋ/D
式(shi)中:F爲單列(lie)漩渦頻率(lü),Hz;D爲漩渦發(fa)生體寬度(du),m;ʋ爲漩渦發(fa)🏃🏻♂️生體💚兩側(ce)📱平均流速(su),m/s;St爲特勞哈(ha)爾數,無量(liang)綱,St的值與(yu)漩渦發生(sheng)體寬度D和(he)雷諾數Re有(you)關。
1.2硬件系(xi)統組成結(jie)構
根據渦(wo)街流量計(ji)的特點和(he)數字信号(hao)處理的運(yun)算要求,選(xuan)擇了dsPIC30F6012單片(pian)機作爲核(he)心部件,它(ta)是一種16位(wei)微處理器(qi)。其内部集(ji)成💁有1個❤️16位(wei)CPU和1個DSP内核(he),當内部時(shi)鍾頻率爲(wei)最高120MHz時,進(jin)行1次16bitx16bit運算(suan)爲💋8.3ns等特點(dian)。系統組成(cheng)主要包括(kuo):檢測電路(lu)、放大電路(lu)、顯示電路(lu)、通信接口(kou)電路等,其(qi)系統㊙️組成(cheng)框圖如圖(tu)1所示。渦街(jie)傳感器采(cai)集📐流量信(xin)号,壓力🈲、溫(wen)度傳感器(qi)采集流體(ti)溫度、壓力(li)信号對流(liu)量㊙️信号加(jia)📧以實時補(bu)償和修正(zheng)。
1.3前置放大(da)器電路設(she)計
前置放(fang)大器由電(dian)荷/電壓轉(zhuan)換器、電壓(ya)放大器、低(di)通濾波器(qi)組成🔱。采用(yong)雙端輸人(ren)的電荷/電(dian)壓轉換器(qi),它把探🐅頭(tou)壓電晶體(ti)輸🥵出的交(jiao)變電荷信(xin)号變換成(cheng)與電荷量(liang)成正比💃的(de)電壓㊙️信号(hao)。電壓放大(da)器則利用(yong)同相輸人(ren)的🌍放大器(qi)來得到幅(fu)度适當的(de)電壓信号(hao)。設置低通(tong)濾波器的(de)作用是爲(wei)了消除渦(wo)街信号中(zhong)夾🔆帶的複(fu)雜噪聲。前(qian)置放大器(qi)具體實現(xian)電路如圖(tu)2所示。
2系統(tong)的軟件設(she)計
2.1渦街流(liu)量計信号(hao)采集和處(chu)理算法
N點(dian)FFT計算的頻(pin)譜實際上(shang)是Z平面單(dan)位圓上的(de)N點等間隔(ge)采㊙️樣,Chirp-Z變換(huan)(即CZT)是Z平面(mian)螺旋線周(zhou)線上Z變換(huan)的等間✨隔(ge)取樣,這些(xie)取樣在螺(luo)旋線的某(mou)--部分上按(an)等角度分(fen)布。具體地(di)說,令x(n)表示(shi)N點序列,X(z)表(biao)示其Z變換(huan),而利用CZT算(suan)法,可以計(ji)算給定🧡點(dian)z的X(z),N點x(n)的Chirp-Z變(bian)換爲:
這裏(li)ƒ(n)和h(n)的離散(san)卷積可以(yi)用ƒ(n)和h(n)的适(shi)當段的圓(yuan)周卷積來(lai)實現，而👨❤️👨圓(yuan)周卷積可(ke)用FFT的方法(fa)求得。式(3)的(de)計算流程(cheng)💃可用圖3所(suo)示的線性(xing)系統來表(biao)示:
2.2處理算(suan)法實現步(bu)驟
CZT變化的(de)具體步驟(zhou)如下:
(1)給定(ding)采樣數據(ju)x(n),信号長度(du)N,信号的采(cai)樣頻率Fs;
(2)對(dui)x(n)先做FFT變換(huan),确定頻譜(pu)的頻段;
(3)确(que)定待分析(xi)頻段的起(qi)始頻率ƒb,頻(pin)寬ƒw,取樣點(dian)數M以.及🐕要(yao)達到的頻(pin)📞率分辨力(li)△ƒ,後3個參數(shu)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做(zuo)CZT;
(5)分析變換(huan)結果,包括(kuo)譜峰位置(zhi)，大小和相(xiang)位等。
3系統(tong)仿真實驗(yan)
3.1渦街信号(hao)模型的建(jian)立
理論上(shang)渦街流量(liang)計的輸出(chu)爲正弦波(bo),而實際的(de)輸出信号(hao)中往往含(han)有各種不(bu)同的噪聲(sheng)和幹擾成(cheng)分,但在信(xin)号不被幹(gan)擾淹沒的(de)情況下,其(qi)主要能量(liang)仍集中在(zai)🧑🏽🤝🧑🏻有用的🎯渦(wo)街頻📧率點(dian)上。因此,根(gen)❤️據渦街流(liu)量計檢測(ce)信号的特(te)點⭕和噪聲(sheng)分析建立(li)具有以下(xia)形📞式的渦(wo)街信号模(mo)型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
式中:ƒ1爲(wei)信号頻率(lü);ƒ2爲周期性(xing)噪聲頻率(lü);A1<A2;randn(size(t))爲高斯白(bai)噪聲。
對于(yu)某一固定(ding)口徑的流(liu)量計,其量(liang)程比一般(ban)爲1:10,以DN50爲例(li)，其氣體😘和(he)液體的頻(pin)率測量範(fan)圍分别爲(wei):76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由某(mou)⚽儀表🏃🏻廠提(ti)供)，而包含(han)于.渦街信(xin)号的周期(qi)性噪聲主(zhu)要🔆的出現(xian)在40Hz、50Hz至幾🌍百(bai)Hz的頻🐕帶内(nei)文中的仿(pang)真實驗以(yi)檢測氣體(ti)流量的頻(pin)率爲例。
3.2仿(pang)真實驗結(jie)果
仿真實(shi)驗參數設(she)定如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲(wei)76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波(bo)幹擾頻率(lü)。仿真實😘驗(yan)内容分别(bie)爲利用FFT和(he)CZT變換兩種(zhong)方法來提(ti)取渦街🎯信(xin)号的主頻(pin)。按❌照建立(li)的渦街信(xin)号模型,取(qu)ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信(xin)号在時域(yu)上的波形(xing)如圖4所示(shi)。從圖中可(ke)以看出,信(xin)号中混疊(die)着各種噪(zao)聲和幹擾(rao),且渦街信(xin)号頻率越(yue)低，噪聲幹(gan)擾越明顯(xian)。
對渦街信(xin)号做FFT變換(huan),并在Matlab環境(jing)下進行仿(pang)真,得到圖(tu)5所示的頻(pin)✨譜圖,圖中(zhong)譜峰值最(zui)大的即爲(wei)渦街信号(hao)的頻率值(zhi),将圖5局部(bu)放大得到(dao)圖6。從圖6中(zhong)可以看出(chu):渦街信号(hao)的頻✂️率大(da)概在368Hz附近(jin)。
在FFT變換的(de)基礎上,先(xian)确定頻譜(pu)中主瓣的(de)位置(仿真(zhen)實驗中取(qu)最大值和(he)次最大值(zhi)之間作爲(wei)局部放大(da)的主瓣位(wei)置),然後在(zai)此區間進(jin)行CZT變換,仿(pang)真結果如(ru)圖7所示:
渦(wo)街信号的(de)頻率在364.24Hz附(fu)近,誤差爲(wei)0.03Hz,與隻采用(yong)FFT變換的結(jie)果相比🔆,測(ce)🐇量精度明(ming)顯提高。
用(yong)同樣的方(fang)法,通過對(dui)待檢測的(de)氣體流量(liang)輸出信号(hao)頻率的各(ge)頻段各取(qu)2個頻率點(dian),共8組數據(ju),進行仿真(zhen)實驗,将FFT方(fang)法和CZT方法(fa)進行比較(jiao),結果如表(biao)1所示。從表(biao)1可以看出(chu)，經CZT方法校(xiao)正後的絕(jue)對誤差基(ji)本控制在(zai)0.02Hz内,精度大(da)大提高。
5結(jie)束語
在渦(wo)街流量計(ji)中采用Chirp-Z變(bian)換的頻譜(pu)校正方法(fa)來提高的(de)測量🔞精度(du),該方法的(de)基本原理(li)是先進行(hang)FFT變換,确定(ding)頻譜中主(zhu)瓣的🙇🏻位置(zhi),然後再用(yong)Chirp-Z變換對主(zhu)瓣進行局(ju)部⭐細化,從(cong)而降低頻(pin)譜上的采(cai)樣間隔,達(da)到提高渦(wo)街流✏️量計(ji)的測量精(jing)度的目的(de),從仿真實(shi)驗的🏃♀️結果(guo)來看,校正(zheng)後的絕對(dui)誤差基本(ben)保持在0.02Hz以(yi)内，提高了(le)渦街流量(liang)計的測量(liang)精度💯,滿足(zu)了渦街流(liu)量計實際(ji)測量的需(xu)要。
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