摘要:傳統渦(wo)街流量計 由(you)于抗幹擾性(xìng)差、測量精度(du)低等難以滿(man)足實際測量(liàng)的需求,開發(fā)抗擾型高渦(wo)街流量計已(yǐ)成爲當前流(liu)量測量領域(yu)的重要發展(zhǎn)方向。針對現(xiàn)有産品存在(zài)的問題,設計(ji)💁了一種嵌入(rù)式渦街流量(liàng)計,給出了硬(ying)件組成結構(gòu)和相關電路(lù)原理圖;并在(zài)信号處理算(suàn)法上,采用Chirp-Z變(bian)換的頻譜校(xiao)正方法,對經(jing)FFT變換後的💛渦(wo)街信号的頻(pin)譜主瓣進行(hang)局部細化,從(cong)而在運算量(liang)增加不多的(de)情況下,提高(gāo)了渦街流量(liang)計的測量✍️精(jīng)度。并通過Matlab仿(páng)真實驗對該(gāi)頻譜校正方(fāng)🐆法進行有效(xiào)性驗證。仿真(zhen)結果表明:該(gai)方法具有校(xiao)正精度高,響(xiǎng)應速度快和(hé)使用靈活♍的(de)特點。
0引言
　　渦(wo)街流量計廣(guǎng)泛應用于過(guo)程測量和控(kong)制儀表中。但(dàn)在測🚶‍♀️量🌍現場(chǎng),由于各種機(jī)械振動和流(liu)場的不穩定(ding),使得渦街信(xìn)♋号中.摻雜了(le)各種噪聲和(hé)幹擾,不能🌈有(yǒu)效提取準确(que)的渦街頻率(lü)信⁉️号,影響了(le)流量計的測(cè)量精度。随着(zhe)單片機和DSP發(fa)展,國内外專(zhuān)🌈家相繼提🐆出(chū)采用各種🆚數(shu)字信号處理(li)的有關算法(fa)來處理渦🌈街(jiē)信号,其中FFT因(yin)其方法直觀(guān),易于編程實(shí)現而被廣泛(fàn)應用,但由于(yu)FFT的🌏栅欄效應(yīng)，使得直⛹🏻‍♀️接采(cai)用FFT變換所獲(huo)得的頻譜具(ju)有固㊙️定的采(cai)樣間距△f(△f=Fs/N,爲系(xi)統分辨率),從(cong)而産生♉最大(dà)爲0.5Fs/N的頻率測(ce)量💞誤差。爲了(le)提高系統分(fen)辨率，在相同(tóng)的采樣點數(shu)下，就必須減(jian)小采樣頻率(lü),而采樣頻率(lǜ)又受到香農(nong)采樣定理的(de)約束;若不🍉改(gǎi)變采樣頻率(lü),隻能增加采(cǎi)樣點數N,又會(huì)增加數據🔴的(de)存儲量♍和計(jì)算量,降低了(le)系統的實時(shí)性。可見,單純(chún)用FFT很難進一(yi)步提高測量(liang)精度,隻有對(duì)FFT的結果進行(háng)一定的改進(jin)和校正,才能(néng)提取更精☔确(què)的頻率、幅值(zhí)和相位信息(xī)。爲此設計一(yī)種嵌人式渦(wō)街流量計,在(zài)算法上利用(yòng)Z平面上的一(yī)段螺旋線做(zuo)等間隔采🍓樣(yang)的Z變換,在局(jú)部頻段内進(jin)行頻譜🌈細化(huà),以達到進一(yi)步提高測量(liàng)精度的目的(de)。
1渦街流計工(gōng)作原理與系(xì)統組成
1.1渦街(jiē)流量h計工作(zuò)原理
　　渦街流(liú)量計是基于(yu)卡門渦街原(yuán)理制成的一(yi)種流體振蕩(dàng)♍性流量計，即(jí)在流動的流(liú)體中放置一(yi)個非流線型(xíng)的對稱形狀(zhuàng)☀️的物體{渦街(jiē)流量傳感器(qì)中稱❌之爲漩(xuan)渦發生👈體)，就(jiu)會在其下流(liú)兩側産生2列(lie)有規🐆律的漩(xuán)渦即卡門渦(wo)🆚街,其漩渦頻(pin)率正比于來(lai)流速度:
F=Stʋ/D
　　式中(zhong):F爲單列漩渦(wo)頻率,Hz;D爲漩渦(wō)發生體寬度(dù),m;ʋ爲漩渦發生(shēng)體兩💃🏻側平均(jun)流速,m/s;St爲特勞(lao)哈爾數,無量(liang)綱,St的值與漩(xuán)渦發生體寬(kuān)度D和雷諾數(shù)Re有關。
1.2硬件系(xi)統組成結構(gòu)
　　根據渦街流(liú)量計的特點(dian)和數字信号(hao)處理的運算(suan)🐇要求,選擇了(le)dsPIC30F6012單片機作爲(wèi)核心部件,它(tā)是一種16位微(wēi)處理器。其内(nèi)部集成有1個(gè)16位CPU和1個DSP内核(hé),當内部時鍾(zhōng)頻率爲最高(gāo)120MHz時,進行1次16bitx16bit運(yun)算爲8.3ns等特點(diǎn)。系統組成主(zhu)要包括:檢測(ce)電路、放大電(dian)路、顯示電路(lù)、通信接口電(diàn)路等,其系統(tong)組成框圖如(rú)圖1所示。渦街(jiē)傳感器采集(ji)📐流量信号,壓(yā)力、溫度傳感(gǎn)器采🥰集流體(ti)溫度、壓💃力信(xìn)👄号對流量⛱️信(xìn)号加以實時(shí)🌈補償和修💘正(zheng)。
 
1.3前置放大器(qì)電路設計
　　前(qian)置放大器由(you)電荷/電壓轉(zhuan)換器、電壓放(fang)大器、低通濾(lü)波器🔞組成🔴。采(cǎi)用雙端輸人(ren)的電荷/電壓(yā)轉換器,它把(bǎ)探頭壓✉️電晶(jing)體輸出的交(jiāo)變電荷信号(hao)變換成與電(dian)荷量成正比(bi)的電壓信号(hao)。電⛱️壓放大器(qì)則利用同相(xiàng)輸人的✏️放大(dà)器來得到幅(fú)度适當的電(dian)壓信号。設置(zhì)低通濾波器(qì)的作用是爲(wei)了消除渦街(jiē)信号中夾♊帶(dai)的複雜噪聲(shēng)。前置放大器(qi)具體實現電(dian)路如🏃‍♂️圖2所示(shì)。
 
2系統的軟件(jiàn)設計
2.1渦街流(liú)量計信号采(cai)集和處理算(suàn)法
　　N點FFT計算的(de)頻譜實際上(shang)是Z平面單位(wèi)圓上的N點等(deng)間隔采樣☔,Chirp-Z變(biàn)換(即CZT)是Z平面(miàn)螺旋線周線(xiàn)上Z變換的等(deng)間隔取樣,這(zhè)些取樣在螺(luo)旋線的某--部(bu)分上按等角(jiǎo)度分布。具體(ti)地說💃,令x(n)表示(shi)N點序列,X(z)表示(shì)其Z變換,而利(lì)用CZT算法,可以(yǐ)計算給定點(dian)z的X(z),N點x(n)的🌈Chirp-Z變換(huan)爲:
 
　　這裏ƒ(n)和h(n)的(de)離散卷積可(kě)以用ƒ(n)和h(n)的适(shì)當段的圓周(zhōu)卷積來實現(xian)，而圓周卷積(ji)可用FFT的方法(fǎ)求得。式(3)的計(ji)算流程可用(yòng)💘圖3所示的線(xiàn)性系統來表(biao)示:
 
2.2處理算法(fǎ)實現步驟
CZT變(bian)化的具體步(bù)驟如下:
(1)給定(dìng)采樣數據x(n),信(xìn)号長度N,信号(hào)的采樣頻率(lǜ)Fs;
(2)對x(n)先做FFT變換(huàn),确定頻譜的(de)頻段;
(3)确定待(dai)分析頻段的(de)起始頻率ƒb,頻(pin)寬ƒw,取樣點數(shù)M以.及要達到(dào)的頻率分辨(biàn)力△ƒ,後3個參數(shù)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分(fen)析變換結果(guǒ),包括譜峰位(wèi)置，大小和相(xiàng)位等。
3系統仿(pang)真實驗
3.1渦街(jiē)信号模型的(de)建立
　　理論上(shàng)渦街流量計(jì)的輸出爲正(zhèng)弦波,而實際(jì)的輸出信号(hào)中🔅往往含有(yǒu)各種不同的(de)噪聲和幹擾(rao)成分,但在🔆信(xìn)号不被🌏幹擾(rao)淹沒的情況(kuàng)下,其主要能(neng)量仍集中在(zai)有用的渦街(jiē)頻率點上。因(yīn)此,根據渦街(jie)流量計檢測(cè)信号的特點(diǎn)和噪聲分㊙️析(xī)建立具有以(yǐ)下形式的渦(wo)街信号模型(xíng):
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式中:ƒ1爲信号(hao)頻率;ƒ2爲周期(qi)性噪聲頻率(lü);A1<A2;randn(size(t))爲高斯白噪(zào)♈聲。
　　對于某一(yi)固定口徑的(de)流量計,其量(liang)程比一般爲(wei)1:10,以DN50爲🏃‍♀️例，其氣(qì)體和液體的(de)頻率測量範(fàn)圍分别爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數(shu)據🔞由某儀表(biǎo)廠提供)，而包(bāo)含🈲于.渦街信(xìn)号的周期性(xìng)噪聲主要的(de)出現在40Hz、50Hz至幾(ji)百Hz的頻帶内(nei)文中的仿真(zhen)實驗以檢測(cè)氣體流量的(de)頻率爲例。
3.2仿(pang)真實驗結果(guo)
　　仿真實驗參(can)數設定如下(xia):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波(bō)幹擾頻率。仿(pang)真🌈實驗内容(róng)分别爲利用(yong)FFT和CZT變換兩種(zhǒng)方法來提取(qǔ)渦街信号☀️的(de)主頻。按照建(jian)立的渦街信(xìn)号模型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則(zé)渦街信🏃🏻号在(zai)時🐆域上的波(bō)形如圖4所示(shì)。從圖中可以(yi)看出,信号中(zhong)混疊着各種(zhǒng)噪聲和幹擾(rao),且渦街信号(hao)🈲頻率越低，噪(zào)✂️聲幹擾越明(ming)顯。
 
　　對渦街信(xin)号做FFT變換,并(bìng)在Matlab環境下進(jin)行仿真,得到(dào)圖5所示的頻(pín)譜圖,圖中譜(pu)峰值最大的(de)即爲渦街信(xin)号的頻率值(zhi)👨‍❤️‍👨,将圖5局部放(fang)大得到圖6。從(cong)圖6中可以看(kan)出:渦街信号(hào)的頻率大概(gai)在368Hz附近。
 
　　在FFT變(bian)換的基礎上(shàng),先确定頻譜(pǔ)中主瓣的位(wèi)置(仿真實驗(yan)中取最大值(zhí)和次最大值(zhi)之間作爲局(jú)部放大的主(zhu)瓣位👣置),然後(hòu)在㊙️此區間進(jìn)行CZT變換,仿真(zhēn)結果如圖7所(suǒ)示:
 
　　渦街信号(hào)的頻率在364.24Hz附(fu)近,誤差爲0.03Hz,與(yu)隻采用FFT變換(huàn)的結果相🤩比(bǐ),測量精度明(míng)顯提高。
　　用同(tóng)樣的方法,通(tōng)過對待檢測(ce)的氣體流量(liang)輸出信号頻(pin)率的㊙️各頻段(duan)各取2個頻率(lǜ)點,共8組數據(ju),進行仿真實(shi)驗,将FFT方法和(hé)CZT方法進🌈行比(bi)較,結果如表(biao)1所示。從表1可(ke)以看出，經CZT方(fāng)法校正後的(de)絕對誤差基(ji)本控制在0.02Hz内(nèi),精度大大提(tí)高🌍。
 
5結束語
　　在(zài)渦街流量計(jì)中采用Chirp-Z變換(huàn)的頻譜校正(zheng)方法來提高(gāo)的🌈測量精度(dù),該方法的基(jī)本原理是先(xian)進行FFT變換,确(que)定頻譜中主(zhu)瓣的位置🈚,然(rán)後再用Chirp-Z變換(huàn)對主瓣進行(hang)局部細化,從(cong)🌈而降低頻譜(pu)上的采樣🌈間(jiān)隔,達到提高(gao)渦街流量計(ji)的測量精度(du)的目的,從仿(páng)真實驗的結(jié)果來看,校正(zhèng)後的絕對誤(wù)差基本保持(chi)在0.02Hz以内，提高(gāo)了渦街流量(liang)計的測量精(jing)度,滿足了渦(wō)街流量計實(shi)際測量的需(xu)要。

文章來源(yuan)于網絡,如有(yǒu)侵權聯系即(jí)删除！