摘要(yao):傳統渦(wo)街流量(liang)計 由于(yu)抗幹擾(rao)性差、測(ce)量精度(du)低等難(nan)以滿足(zu)實際測(ce)量🌈的需(xu)求,開發(fa)抗擾型(xing)高渦街(jie)流量計(ji)已成爲(wei)當前流(liu)量測量(liang)🌈領域的(de)重要發(fa)展方向(xiang)。針對現(xian)有産品(pin)存在的(de)問題,設(she)計了一(yi)種嵌入(ru)式渦街(jie)流量計(ji),給出了(le)硬件組(zu)成結構(gou)和相關(guan)電路原(yuan)🏃‍♂️理圖;并(bing)在🏃‍♀️信号(hao)處理算(suan)法上,采(cai)用Chirp-Z變換(huan)的頻譜(pu)校正方(fang)法,對經(jing)FFT變換後(hou)的渦街(jie)信号的(de)頻譜主(zhu)瓣進行(hang)局部細(xi)化,從而(er)在🈲運算(suan)量增加(jia)不☔多的(de)情況下(xia),提高了(le)渦街流(liu)量計的(de)測量✊精(jing)度。并通(tong)過Matlab仿真(zhen)實驗對(dui)該頻譜(pu)校正方(fang)法進行(hang)有👈效性(xing)驗證。仿(pang)真結果(guo)表明:該(gai)方法具(ju)有校正(zheng)精度高(gao),響應速(su)度快和(he)使用靈(ling)活的特(te)點。
0引言(yan)
　　渦街流(liu)量計廣(guang)泛應用(yong)于過程(cheng)測量和(he)控制儀(yi)表中。但(dan)在測量(liang)現☀️場,由(you)于各種(zhong)機械振(zhen)動和流(liu)場的不(bu)穩定,使(shi)得渦街(jie)信号中(zhong).摻雜了(le)各種噪(zao)聲和幹(gan)擾,不能(neng)有效提(ti)㊙️取準确(que)的渦街(jie)頻率信(xin)号,影響(xiang)了流量(liang)計的測(ce)量精度(du)😘。随着單(dan)片機和(he)DSP發展,國(guo)内外專(zhuan)家相繼(ji)提出采(cai)用各種(zhong)數字信(xin)号處理(li)的有關(guan)算法來(lai)處理渦(wo)⚽街信号(hao),其中FFT因(yin)其方法(fa)直觀,易(yi)于編程(cheng)實現而(er)被廣泛(fan)應用,但(dan)由于FFT的(de)栅欄效(xiao)應，使得(de)直接采(cai)用FFT變換(huan)所獲得(de)的頻譜(pu)具有固(gu)定的采(cai)樣間距(ju)△f(△f=Fs/N,爲系統(tong)分辨率(lü)),從而産(chan)生最大(da)爲0.5Fs/N的頻(pin)率測量(liang)誤差。爲(wei)了提高(gao)系統🤟分(fen)辨率，在(zai)相同的(de)采樣點(dian)🐇數下，就(jiu)必須減(jian)小采樣(yang)頻🐅率,而(er)采樣頻(pin)率又受(shou)到香農(nong)采樣定(ding)理的約(yue)束;若不(bu)改變采(cai)樣頻率(lü),隻能增(zeng)加采樣(yang)點數N,又(you)會增加(jia)數據的(de)存儲量(liang)和計算(suan)量,降低(di)了系統(tong)的實時(shi)性。可見(jian),單純用(yong)FFT很難進(jin)一步提(ti)高測量(liang)精度,隻(zhi)有對FFT的(de)結果進(jin)⭐行一定(ding)的改進(jin)和校正(zheng),才能提(ti)取更精(jing)确的頻(pin)率、幅🎯值(zhi)和相位(wei)信息。爲(wei)此設計(ji)一種嵌(qian)人式渦(wo)⭐街流量(liang)計,在算(suan)法上利(li)用Z平面(mian)上的一(yi)段螺旋(xuan)線做等(deng)間隔采(cai)樣的Z變(bian)換,在局(ju)部頻段(duan)内進行(hang)頻譜細(xi)化,以達(da)到進一(yi)步提高(gao)💞測量精(jing)度的目(mu)的🈲。
1渦街(jie)流計工(gong)作原理(li)與系統(tong)組成
1.1渦(wo)街流量(liang)h計工作(zuo)原理
　　渦(wo)街流量(liang)計是基(ji)于卡門(men)渦街原(yuan)理制成(cheng)的一種(zhong)流體⁉️振(zhen)蕩性流(liu)👈量計，即(ji)在流動(dong)的流體(ti)中放置(zhi)一個非(fei)流線型(xing)的對稱(cheng)形狀的(de)物體{渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)中稱之(zhi)爲漩渦(wo)發生✔️體(ti))，就會在(zai)其下流(liu)兩側産(chan)生2列有(you)規律的(de)漩渦即(ji)卡門渦(wo)🔱街,其漩(xuan)渦頻率(lü)正比♊于(yu)來流速(su)🈚度:
F=Stʋ/D
　　式中(zhong):F爲單列(lie)漩渦頻(pin)率,Hz;D爲漩(xuan)渦發生(sheng)體寬度(du),m;ʋ爲漩渦(wo)發生體(ti)兩🥰側平(ping)均流速(su),m/s;St爲特勞(lao)哈爾數(shu),無量綱(gang),St的值與(yu)漩渦發(fa)生體寬(kuan)度D和雷(lei)💋諾數Re有(you)關。
1.2硬件(jian)系統組(zu)成結構(gou)
　　根據渦(wo)街流量(liang)計的特(te)點和數(shu)字信号(hao)處理的(de)運算要(yao)求♋,選擇(ze)了dsPIC30F6012單片(pian)機作爲(wei)核心部(bu)件,它是(shi)一種16位(wei)微處理(li)器。其☎️内(nei)部集成(cheng)有1個16位(wei)CPU和1個DSP内(nei)核,當内(nei)部時鍾(zhong)頻率爲(wei)最高120MHz時(shi),進行1次(ci)16bitx16bit運算爲(wei)🤩8.3ns等特點(dian)。系統組(zu)成主要(yao)包括:檢(jian)測電路(lu)、放大電(dian)路、顯示(shi)電路、通(tong)信接口(kou)電路等(deng),其系統(tong)組成框(kuang)圖如‼️圖(tu)1所示。渦(wo)街傳感(gan)器采集(ji)流量信(xin)号,壓力(li)✌️、溫度傳(chuan)感器采(cai)集流體(ti)溫度、壓(ya)力信号(hao)對流量(liang)信号加(jia)以實時(shi)補償和(he)修正。
 
1.3前(qian)置放大(da)器電路(lu)設計
　　前(qian)置放大(da)器由電(dian)荷/電壓(ya)轉換器(qi)、電壓放(fang)大器、低(di)通濾波(bo)器組成(cheng)。采用雙(shuang)端輸人(ren)的電荷(he)/電壓轉(zhuan)換器,它(ta)把探頭(tou)壓🔞電晶(jing)體輸🐕出(chu)的交變(bian)電荷信(xin)号變換(huan)成與電(dian)荷量成(cheng)正比的(de)電壓信(xin)号。電壓(ya)放大器(qi)則利用(yong)同相輸(shu)人的放(fang)大器來(lai)得到幅(fu)度适當(dang)的電壓(ya)信号。設(she)置低通(tong)濾波器(qi)的作用(yong)是👈爲了(le)消除渦(wo)街信号(hao)中夾帶(dai)的複雜(za)噪✌️聲👣。前(qian)置放大(da)器具體(ti)實現電(dian)路如✍️圖(tu)2所示。
 
2系(xi)統的軟(ruan)件設計(ji)
2.1渦街流(liu)量計信(xin)号采集(ji)和處理(li)算法
　　N點(dian)FFT計算的(de)頻譜實(shi)際上是(shi)Z平面單(dan)位圓上(shang)的N點等(deng)間隔采(cai)樣,Chirp-Z變換(huan)(即CZT)是Z平(ping)面螺旋(xuan)線周線(xian)上Z變換(huan)的等間(jian)隔取樣(yang),這些取(qu)樣在螺(luo)旋線的(de)某--部分(fen)上按等(deng)角度分(fen)布。具體(ti)地說,令(ling)x(n)表示N點(dian)序列,X(z)表(biao)示其Z變(bian)換,而利(li)用👉CZT算法(fa),可以㊙️計(ji)算給定(ding)☂️點z的X(z),N點(dian)x(n)的Chirp-Z變換(huan)爲:
 
　　這裏(li)ƒ(n)和h(n)的離(li)散卷積(ji)可以用(yong)ƒ(n)和h(n)的适(shi)當段的(de)圓周卷(juan)❤️積來實(shi)現，而圓(yuan)周卷積(ji)可用FFT的(de)方法求(qiu)得。式(3)的(de)計算流(liu)程可用(yong)圖3所📧示(shi)的線性(xing)系統來(lai)表示:
 
2.2處(chu)理算法(fa)實現步(bu)驟
CZT變化(hua)的具體(ti)步驟如(ru)下:
(1)給定(ding)采樣數(shu)據x(n),信号(hao)長度N,信(xin)号的采(cai)樣頻率(lü)Fs;
(2)對x(n)先做(zuo)FFT變換,确(que)定頻譜(pu)的頻段(duan);
(3)确定待(dai)分析頻(pin)段的起(qi)始頻率(lü)ƒb,頻寬ƒw,取(qu)樣點數(shu)M以.及😍要(yao)達❌到的(de)頻率分(fen)辨力△ƒ,後(hou)3個參數(shu)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設(she)A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分析(xi)變換結(jie)果,包括(kuo)譜峰位(wei)置，大小(xiao)和相位(wei)等。
3系統(tong)仿真實(shi)驗
3.1渦街(jie)信号模(mo)型的建(jian)立
　　理論(lun)上渦街(jie)流量計(ji)的輸出(chu)爲正弦(xian)波,而實(shi)際的輸(shu)㊙️出信号(hao)中往往(wang)含有各(ge)種不同(tong)的噪聲(sheng)和幹擾(rao)成分,但(dan)在信号(hao)不被幹(gan)擾淹沒(mei)的情況(kuang)下,其主(zhu)要能量(liang)仍✉️集中(zhong)在有用(yong)的渦街(jie)頻率點(dian)上。因此(ci),根㊙️據渦(wo)街流量(liang)計檢測(ce)信❄️号的(de)特點和(he)噪聲分(fen)析建立(li)具有以(yi)下形☂️式(shi)的渦街(jie)信号模(mo)型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式中(zhong):ƒ1爲信号(hao)頻率;ƒ2爲(wei)周期性(xing)噪聲頻(pin)率;A1<A2;randn(size(t))爲高(gao)斯白噪(zao)聲。
　　對于(yu)某一固(gu)定口徑(jing)的流量(liang)計,其量(liang)程比一(yi)般爲1:10,以(yi)DN50爲例，其(qi)氣體和(he)液體的(de)頻率測(ce)量範圍(wei)分别爲(wei):76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由(you)某儀表(biao)廠提供(gong))，而包含(han)于.渦街(jie)信号的(de)周期性(xing)噪聲主(zhu)要的出(chu)現在40Hz、50Hz至(zhi)幾🔅百Hz的(de)頻帶内(nei)文中的(de)仿真實(shi)驗以檢(jian)測😄氣體(ti)流量的(de)頻率爲(wei)例。
3.2仿真(zhen)實驗結(jie)果
　　仿真(zhen)實驗參(can)數設定(ding)如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲(wei)76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧(xie)波幹擾(rao)頻率。仿(pang)💘真實驗(yan)内容分(fen)别爲利(li)用FFT和CZT變(bian)換兩種(zhong)方法來(lai)提取渦(wo)街信号(hao)的主頻(pin)。按照建(jian)立的渦(wo)街信号(hao)模型,取(qu)ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街(jie)信号在(zai)時域上(shang)的波形(xing)如圖4所(suo)示。從圖(tu)中可以(yi)看出,信(xin)号中混(hun)疊着各(ge)種噪聲(sheng)和幹擾(rao),且渦街(jie)信号頻(pin)率越低(di)，噪聲幹(gan)擾越明(ming)🔴顯。
 
　　對渦(wo)街信号(hao)做FFT變換(huan),并在Matlab環(huan)境下進(jin)行仿真(zhen),得到圖(tu)5所示的(de)頻譜圖(tu),圖中譜(pu)峰值最(zui)大的即(ji)爲渦街(jie)信号的(de)頻率值(zhi),将圖5局(ju)部💞放大(da)得到圖(tu)6。從圖6中(zhong)可以看(kan)出:渦街(jie)信号的(de)頻🛀🏻率大(da)概🐇在368Hz附(fu)近。
 
　　在FFT變(bian)換的基(ji)礎上,先(xian)确定頻(pin)譜中主(zhu)瓣的位(wei)置(仿真(zhen)實驗中(zhong)取最🤟大(da)值和次(ci)最大值(zhi)之間作(zuo)爲局部(bu)放大的(de)主瓣位(wei)置),然後(hou)在此區(qu)間進行(hang)CZT變換,仿(pang)真結果(guo)如圖7所(suo)示:
 
　　渦街(jie)信号的(de)頻率在(zai)364.24Hz附近,誤(wu)差爲0.03Hz,與(yu)隻采用(yong)FFT變換的(de)結果相(xiang)比,測量(liang)精度明(ming)顯提高(gao)。
　　用同樣(yang)的方法(fa),通過對(dui)待檢測(ce)的氣體(ti)流量輸(shu)出信号(hao)✔️頻率的(de)各頻段(duan)各取2個(ge)頻率點(dian),共8組數(shu)據,進行(hang)仿真實(shi)🧡驗,将FFT方(fang)法和CZT方(fang)法進行(hang)比較,結(jie)果如表(biao)1所示。從(cong)表1可以(yi)看出，經(jing)CZT方法校(xiao)正後的(de)絕對誤(wu)🈚差基本(ben)控制在(zai)0.02Hz内,精度(du)大大提(ti)高㊙️。
 
5結束(shu)語
　　在渦(wo)街流量(liang)計中采(cai)用Chirp-Z變換(huan)的頻譜(pu)校正方(fang)法來提(ti)高的☂️測(ce)量💞精度(du),該方法(fa)的基本(ben)原理是(shi)先進行(hang)FFT變換,确(que)定頻譜(pu)中主瓣(ban)的位置(zhi),然後再(zai)用Chirp-Z變換(huan)對主瓣(ban)進🐕行局(ju)部細化(hua),從而降(jiang)低頻譜(pu)上的采(cai)樣⭕間隔(ge),達到提(ti)高渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)精度的(de)目的,從(cong)仿真實(shi)驗的結(jie)果來看(kan),校⭐正後(hou)的絕對(dui)🌈誤差基(ji)本保🔞持(chi)在0.02Hz以内(nei)，提高了(le)渦街流(liu)量計的(de)測量精(jing)度,滿足(zu)了渦街(jie)流量計(ji)實際測(ce)量的需(xu)要。

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