摘要(yào):介紹了渦(wō)街流量計(jì)
原理,研究(jiū)了渦街信(xìn)号處理方(fāng)法,設計了(le)IIR和FIR數字濾(lü)波器,并🧑🏽🤝🧑🏻用(yòng)圖形化編(biān)程軟件Lab-VIEW進(jin)行仿真實(shí)驗,觀察了(le)數字濾波(bō)器在渦街(jie)信号✂️處理(li)中的效果(guǒ)。
1渦街流置(zhì)計
流量計(jì)量是計量(liang)科學技術(shù)的組成部(bù)分之一,它(tā)與國民經(jing).濟、國防建(jiàn)設、科學研(yan)究有着密(mì)切的關系(xi),随着我國(guó)工農業的(de)發展,對流(liu)體流量的(de)計量提出(chū)了越來越(yue)多、越來🌂越(yue)高的要求(qiu),特🐅别是在(zài)注重節省(sheng)能源、提高(gao)經濟效益(yì)和産品質(zhì)量的今天(tiān)，流量計量(liàng)與🔅測試的(de)重要性就(jiu)更加突出(chu)了,并且爲(wei)🌈越來越多(duo)的人所認(ren)識。在氣體(tǐ)、液體、蒸汽(qi)的流量測(ce)量中，渦♍街(jiē)流量計具(ju)有精度高(gao)量程比較(jiao)寬、線性度(du)較好、壓力(li)損失😍小、性(xìng)能可靠、測(cè)量元件結(jie)構簡單、使(shǐ)用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便、适用(yong)各種介質(zhi)等📧一系列(lie)的優點🥵,在(zai)計量檢測(cè)中發揮越(yue)來越大的(de)作用，有着(zhe)廣🆚泛的應(yīng)用前景。
2渦(wō)街信号研(yán)究
理想情(qíng)況下,渦街(jiē)流量傳感(gan)器的輸出(chū)信号應該(gai)是正弦波(bo)，其頻率與(yu)流體的流(liú)速成正比(bǐ)。然而,工業(ye)現場的噪(zao)聲是普🌐遍(bian)存在的,這(zhe)些噪聲信(xìn)号包括管(guan)道内流動(dong)介質的湍(tuan)流、脈✊動、流(liu)場的不穩(wen)定及不均(jun)勻性對渦(wō)街發生體(tǐ)施加不規(guī)則的附加(jia)作用力而(ér)産☔生的流(liú)體流動噪(zào)聲。當規♈則(ze)渦街産生(shēng)後,在工作(zuo)信号上會(huì)叠加🔅一種(zhong)1/5到1/10渦街頻(pín)率的流體(ti)低頻擺動(dong)噪聲,或輸(shū)送🐪流體的(de)管道偶爾(ěr)受到外力(li)撞擊,會産(chan)生随機振(zhen)動噪聲;以(yi)及各種.動(dong)力源,如水(shuǐ)泵、壓縮機(ji)等的振動(dòng)由管道傳(chuan)遞到♍傳感(gǎn)器上,造成(cheng)渦街發㊙️生(sheng)體上産生(shēng)附加的慣(guàn)性應力,形(xíng)成的振動(dòng)噪聲。因此(ci)，實🏃♀️際的渦(wo)街傳⛷️感器(qi)的輸出信(xin)号遠非理(lǐ)想的正弦(xián)波🌈信号,而(er)是一個混(hun)有強噪聲(sheng)的混🙇🏻合信(xìn)号,它是由(yóu)兩部分信(xìn)号組成:一(yī)是流速産(chǎn)生的渦街(jiē)信🛀号S(t),二是(shì)幹擾引起(qǐ)的噪聲信(xìn)号🏒N(t),即實際(ji)的渦街信(xin)号Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zào)聲信号中(zhōng)又含有确(que)定♻️性分量(liang)和随機分(fèn)量。随機分(fèn)量可認爲(wei)是服⭕從高(gao)斯分布的(de)白噪聲信(xìn)号,而确定(dìng)性分量是(shi)由流體低(dī)頻擺動或(huò)動力源振(zhèn)動引起,獨(dú)立于渦街(jiē)信号,可由(yóu)另-一個正(zhèng)弦信号來(lái)模拟。因此(cǐ)，渦街傳感(gǎn)器的輸出(chu)信号Y(t)可以(yǐ)用下面的(de)式子近似(sì)表♋示:
式中(zhōng):Ao，fo,Q。分别表示(shì)渦街信号(hào)S(t)的幅值、頻(pin)率和初始(shi)相位;A1，f1,Q1分💔别(bié)表示噪🔆聲(sheng)信号N(t)中諧(xie)波幹擾分(fen)量的幅值(zhi)、頻率和初(chū)始相🔆位;d表(biao)🈲示噪聲信(xìn)号N(t)中的高(gāo)斯分布白(bái)噪聲會疊(dié)加在渦街(jiē)信号中,使(shǐ)測量結果(guo)産生較明(míng)顯的誤差(chà)。所以🔴,選用(yong)适當的數(shù)字信号處(chù)方法去除(chú)信号✍️中噪(zào)聲的幹擾(rao),最大程度(du)的複現流(liú)速信号,是(shì)進行渦街(jie)信号處理(lǐ)的主要任(rèn)務。
3數字濾(lǜ)波器的設(shè)計
用窗函(han)數法設計(jì)FIR數字濾波(bō)器就是用(yong)有限長的(de)脈沖響應(yīng)⛹🏻♀️序列來逼(bi)近無限長(zhǎng)的脈沖響(xiang)應序列。基(ji)本設計思(sī)想爲:首先(xiān)選定一♌個(ge)理想的選(xuan)頻濾波器(qi),然後截取(qu)它的脈沖(chong)響應得到(dao)線性相位(wei)和因果的(de)FIR濾波器。因(yīn)此,這種方(fāng)法的重點(diǎn)是選擇-一(yi)個合适的(de)窗函數和(hé)理想濾波(bō)器。一個理(li)想低通濾(lü)波器的頻(pín)率🐉響應爲(wei):
其中,;wc是濾(lü)波器的截(jié)止頻率,a爲(wei)采樣延遲(chí)這個濾波(bō)👉器的脈沖(chong)響應具有(you)無限持續(xù)時間,它由(yóu)下式給定(dìng):
注意,hc(n)關于(yú)a對稱,這一(yi)點對于線(xian)性相位濾(lǜ)波器是有(yǒu)用的。
爲了(le)從hd(n)得到一(yi)個FIR濾波器(qì),必須同時(shí)在兩邊截(jié)取hd(n)。而要得(de)到-一個因(yin)果的線性(xing)相位濾波(bō)器,且它h(n)的(de)長.度🔞爲M,這(zhe)種操作叫(jiao)做“加窗”,則(ze)h(n)可以看作(zuo)是hd(n)與窗函(hán)數w(n)的乘積(ji):根據w(n)的不(bú)同定義，可(kě)以得到各(gè)種⚽不同的(de)窗結構，包(bao)括矩✉️形窗(chuang)、三角型窗(chuāng)、漢甯窗、海(hai)明窗、布萊(lái)克曼窗等(děng),這裏采用(yong)的是海明(míng)窗進行FIR數(shù)字濾波器(qi)的設❄️計。海(hǎi)明窗這種(zhong)窗函數是(shi)漢甯窗的(de)一種變形(xíng)🏃🏻♂️,它的形狀(zhuang)也相🐅似于(yú)一☎️個餘弦(xián)曲線。可定(ding)義爲:
窗函(hán)數設計FIR濾(lü)波器的步(bu)驟:
1)根據技(ji)術要求确(que)定待求濾(lü)波器的單(dān)位取樣hd(n)。如(rú)果給出待(dai)🛀🏻求濾波器(qi)的頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那麽(me)單位取樣(yang)響應用下(xià)式求出:
2)據(ju)對過渡帶(dài)及阻帶衰(shuāi)減的要求(qiu),選擇窗函(hán)數的形式(shi)，并估計窗(chuāng)口長度n。
3)計(jì)算濾波器(qi)的單位取(qu)樣響應h(n)。
4)驗(yan)算技術指(zhi)标是否滿(man)足要求。設(shè)計出的濾(lü)波器頻率(lǜ)🔅響應用下(xià)式計算:
計(jì)算上式時(shi)可以用FFT算(suàn)法。如果H(ejw)不(bú)滿足要求(qiú),根據具體(ti)情👨❤️👨況重♈複(fú)2,3,4步,直到滿(mǎn)足要求。
流(liu)速信号中(zhōng)存在大量(liàng)的噪音幹(gan)擾信号,由(yóu)管道振動(dong)、外界✂️振動(dong)引起的幹(gàn)擾信号,還(hái)有50Hz交流電(diàn)的幹擾信(xìn)号,真正的(de)現場存在(zài)的幹擾要(yao)比這些強(qiáng)得多,也就(jiù)是使用捕(bu)捉數字脈(mò)沖的檢測(ce)方式不能(neng)檢測出低(dī)流速下的(de)信号,這些(xie)信号都對(duì)流速的⭐測(cè)量,特别是(shì)低流速的(de)測量産生(shēng)很壞的影(ying)響。所以必(bì)須對原始(shǐ)信号進行(hang)處理。從數(shu)字濾波前(qian)後的流速(sù)信号波形(xing)對比可😍以(yǐ)看出，濾波(bō)後🐉的波形(xíng)要🐆平滑的(de)多,也就是(shì)将大部分(fèn)的噪音🏃♂️信(xin)号去除了(le),這樣就⭕可(ke)以方便進(jin)行計算，得(dé)出流速值(zhi)。從數字濾(lü)波後的波(bo)形🛀圖可以(yi)看出,IIR濾波(bo)和FIR濾波都(dōu)能夠達到(dao)不錯的效(xiao)果，都可以(yǐ)完成流速(sù)🚶♀️信号的檢(jiǎn)測✊,可以根(gen)據它們的(de)适用場合(he)和适用條(tiáo)件不同,決(jué)定☔選用具(ju)體的濾波(bō)方法，達到(dao)檢測流速(sù)信号的效(xiào)果。
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