摘(zhai)要:介(jie)紹了(le)渦街(jie)流量(liang)計 原(yuan)理,研(yan)究了(le)渦街(jie)信号(hao)處理(li)方法(fa),設計(ji)了IIR和(he)FIR數字(zi)濾波(bo)器,并(bing)用圖(tu)形化(hua)編程(cheng)軟件(jian)Lab-VIEW進行(hang)仿真(zhen)實驗(yan),觀察(cha)了數(shu)字💋濾(lü)波器(qi)在渦(wo)街信(xin)号處(chu)理中(zhong)的效(xiao)果。
1渦(wo)街流(liu)置計(ji)
　　流量(liang)計量(liang)是計(ji)量科(ke)學技(ji)術的(de)組成(cheng)部分(fen)之一(yi),它與(yu)國民(min)經.濟(ji)、國防(fang)建設(she)、科學(xue)研究(jiu)有着(zhe)密切(qie)的關(guan)系,随(sui)着我(wo)國工(gong)農業(ye)的發(fa)展,對(dui)流體(ti)流量(liang)的計(ji)量提(ti)出了(le)⚽越來(lai)越多(duo)、越來(lai)❗越高(gao)的要(yao)求,特(te)别是(shi)在注(zhu)重節(jie)省能(neng)源、提(ti)高經(jing)濟效(xiao)益和(he)産品(pin)質量(liang)的今(jin)天，流(liu)量計(ji)量與(yu)測試(shi)的重(zhong)要性(xing)就更(geng)加突(tu)出了(le),并且(qie)爲越(yue)來越(yue)多的(de)🔞人所(suo)認識(shi)。在氣(qi)體、液(ye)體、蒸(zheng)汽的(de)🌈流量(liang)測量(liang)中，渦(wo)街流(liu)量計(ji)具有(you)精度(du)高量(liang)程比(bi)較寬(kuan)、線性(xing)🚶度較(jiao)好、壓(ya)力損(sun)失小(xiao)、性能(neng)可靠(kao)、測量(liang)元件(jian)結構(gou)簡單(dan)、使用(yong)📐壽命(ming)長、安(an)裝維(wei)護方(fang)便、适(shi)用各(ge)種介(jie)質等(deng)🈲一系(xi)列的(de)優點(dian),在計(ji)🍓量檢(jian)測中(zhong)發揮(hui)越來(lai)越大(da)的作(zuo)用，有(you)着廣(guang)泛的(de)應用(yong)前景(jing)。
2渦街(jie)信号(hao)研究(jiu)
　　理想(xiang)情況(kuang)下,渦(wo)街流(liu)量傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出信(xin)号應(ying)該是(shi)正🐆弦(xian)波，其(qi)🌏頻率(lü)與流(liu)體的(de)流速(su)成正(zheng)比。然(ran)而,工(gong)業現(xian)場的(de)噪聲(sheng)是普(pu)遍存(cun)在的(de),這些(xie)噪聲(sheng)信号(hao)包括(kuo)管道(dao)内流(liu)動🆚介(jie)質的(de)湍流(liu)、脈動(dong)、流場(chang)的不(bu)穩定(ding)及不(bu)均勻(yun)性對(dui)渦街(jie)發生(sheng)體施(shi)加不(bu)規則(ze)的附(fu)加作(zuo)用力(li)而産(chan)🌂生的(de)流體(ti)流動(dong)噪聲(sheng)。當規(gui)則渦(wo)街産(chan)生後(hou),在工(gong)作信(xin)号上(shang)會叠(die)加一(yi)種1/5到(dao)1/10渦街(jie)頻率(lü)的流(liu)體低(di)頻擺(bai)動噪(zao)💯聲,或(huo)輸送(song)流體(ti)的管(guan)道偶(ou)爾受(shou)到外(wai)力撞(zhuang)擊,會(hui)産生(sheng)随機(ji)振動(dong)噪聲(sheng);以及(ji)💚各種(zhong).動力(li)源,如(ru)水泵(beng)☁️、壓縮(suo)機等(deng)的振(zhen)動由(you)管道(dao)傳遞(di)到傳(chuan)感器(qi)上,造(zao)成渦(wo)街發(fa)生體(ti)💞上産(chan)生附(fu)加的(de)慣性(xing)應力(li),形成(cheng)的振(zhen)動噪(zao)聲。因(yin)此，實(shi)💰際的(de)渦街(jie)傳❄️感(gan)器的(de)輸出(chu)🈲信号(hao)遠非(fei)理想(xiang)的正(zheng)弦波(bo)♊信号(hao),而是(shi)一個(ge)混有(you)強噪(zao)聲的(de)混合(he)信号(hao),它是(shi)由兩(liang)部分(fen)信号(hao)🔞組成(cheng):一是(shi)流速(su)産生(sheng)的渦(wo)街☀️信(xin)号S(t),二(er)是幹(gan)🤩擾引(yin)起的(de)噪聲(sheng)信号(hao)N(t),即實(shi)際的(de)渦街(jie)信号(hao)Y(t)=S(t)+N(t),其中(zhong)噪聲(sheng)信号(hao)中又(you)含有(you)确定(ding)性分(fen)量和(he)随機(ji)分量(liang)。随機(ji)分量(liang)可認(ren)爲是(shi)服從(cong)高斯(si)分布(bu)🥵的白(bai)噪聲(sheng)信号(hao),而确(que)定性(xing)分量(liang)是由(you)流體(ti)低頻(pin)擺動(dong)或動(dong)力源(yuan)振動(dong)引起(qi),獨立(li)于渦(wo)街信(xin)号,可(ke)由另(ling)-一個(ge)正弦(xian)信号(hao)來💛模(mo)拟。因(yin)⁉️此，渦(wo)🈲街傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出信(xin)号Y(t)可(ke)以用(yong)下面(mian)的式(shi)子近(jin)似表(biao)示:
 
　　式(shi)中:Ao，fo,Q。分(fen)别表(biao)示渦(wo)街信(xin)号S(t)的(de)幅值(zhi)、頻率(lü)和初(chu)始相(xiang)位;A1，f1,Q1分(fen)别表(biao)示噪(zao)📧聲信(xin)号N(t)中(zhong)諧波(bo)幹擾(rao)分量(liang)的幅(fu)值、頻(pin)率和(he)初始(shi)相😄位(wei);d表示(shi)噪聲(sheng)信号(hao)N(t)中的(de)高斯(si)分布(bu)白噪(zao)聲會(hui)疊加(jia)在渦(wo)街信(xin)号中(zhong),使測(ce)量結(jie)果産(chan)生較(jiao)明顯(xian)的誤(wu)差。所(suo)以,選(xuan)用适(shi)當的(de)數字(zi)信号(hao)處方(fang)法去(qu)除信(xin)号☎️中(zhong)噪聲(sheng)的幹(gan)擾,最(zui)大程(cheng)度的(de)複現(xian)流速(su)信号(hao),是進(jin)行渦(wo)街信(xin)号處(chu)理的(de)主要(yao)任務(wu)。
3數字(zi)濾波(bo)器的(de)設計(ji)
　　用窗(chuang)函數(shu)法設(she)計FIR數(shu)字濾(lü)波器(qi)就是(shi)用有(you)限長(zhang)的脈(mo)沖響(xiang)應序(xu)列來(lai)逼近(jin)無限(xian)長的(de)脈沖(chong)響應(ying)序列(lie)。基本(ben)設計(ji)思想(xiang)爲:首(shou)先選(xuan)❄️定一(yi)個理(li)想的(de)選頻(pin)濾波(bo)器,然(ran)後截(jie)取它(ta)的脈(mo)沖響(xiang)應得(de)到線(xian)性相(xiang)位和(he)因果(guo)的FIR濾(lü)波器(qi)。因此(ci),這種(zhong)方法(fa)💋的重(zhong)點是(shi)㊙️選擇(ze)-一個(ge)合适(shi)的窗(chuang)函數(shu)和理(li)想濾(lü)波器(qi)。一個(ge)理想(xiang)低通(tong)濾波(bo)器的(de)頻率(lü)❓響應(ying)爲:
 
　　其(qi)中,;wc是(shi)濾波(bo)器的(de)截止(zhi)頻率(lü),a爲采(cai)樣延(yan)遲這(zhe)個濾(lü)波器(qi)的脈(mo)沖響(xiang)應具(ju)有無(wu)限持(chi)續時(shi)間,它(ta)由下(xia)式給(gei)定:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關(guan)于a對(dui)稱,這(zhe)一點(dian)對于(yu)線性(xing)相位(wei)濾波(bo)器是(shi)有用(yong)的。
　　爲(wei)了從(cong)hd(n)得到(dao)一個(ge)FIR濾波(bo)器,必(bi)須同(tong)時在(zai)兩邊(bian)截取(qu)hd(n)。而要(yao)得到(dao)-一個(ge)因果(guo)的線(xian)性相(xiang)位濾(lü)波器(qi),且它(ta)h(n)的長(zhang).度♌爲(wei)M,這種(zhong)操作(zuo)叫做(zuo)“加窗(chuang)”,則h(n)可(ke)以看(kan)作是(shi)hd(n)與窗(chuang)函數(shu)w(n)的乘(cheng)積:根(gen)據w(n)的(de)不同(tong)定義(yi)，可以(yi)得到(dao)各種(zhong)不同(tong)的窗(chuang)結構(gou)，包括(kuo)矩形(xing)窗、三(san)角型(xing)窗、漢(han)甯窗(chuang)、海明(ming)窗、布(bu)萊克(ke)曼窗(chuang)等,這(zhe)裏采(cai)用的(de)是海(hai)明窗(chuang)進行(hang)FIR數字(zi)濾波(bo)器的(de)設‼️計(ji)。海明(ming)窗這(zhe)種窗(chuang)函數(shu)是漢(han)甯😘窗(chuang)的一(yi)種變(bian)形,它(ta)的形(xing)狀也(ye)相☔似(si)于一(yi)❄️個餘(yu)弦💋曲(qu)線。可(ke)定義(yi)爲:
 
　　窗(chuang)函數(shu)設計(ji)FIR濾波(bo)器的(de)步驟(zhou):
1)根據(ju)技術(shu)要求(qiu)确定(ding)待求(qiu)濾波(bo)器的(de)單位(wei)取樣(yang)hd(n)。如果(guo)給出(chu)待👌求(qiu)濾波(bo)器的(de)頻率(lü)響應(ying)爲Hd(ejw),那(na)麽單(dan)位取(qu)樣響(xiang)應用(yong)下式(shi)💚求出(chu):
 
2)據對(dui)過渡(du)帶及(ji)阻帶(dai)衰減(jian)的要(yao)求,選(xuan)擇窗(chuang)函數(shu)的形(xing)式，并(bing)估計(ji)窗口(kou)長度(du)n。
3)計算(suan)濾波(bo)器的(de)單位(wei)取樣(yang)響應(ying)h(n)。
4)驗算(suan)技術(shu)指标(biao)是否(fou)滿足(zu)要求(qiu)。設計(ji)出的(de)濾波(bo)器頻(pin)率❗響(xiang)🐅應用(yong)♌下式(shi)計算(suan):
 
　　計算(suan)上式(shi)時可(ke)以用(yong)FFT算法(fa)。如果(guo)H(ejw)不滿(man)足要(yao)求,根(gen)據具(ju)體情(qing)況重(zhong)複2,3,4步(bu),直到(dao)滿足(zu)要求(qiu)。
　　流速(su)信号(hao)中存(cun)在大(da)量的(de)噪音(yin)幹擾(rao)信号(hao),由管(guan)道振(zhen)動、外(wai)界振(zhen)動引(yin)起的(de)幹擾(rao)信号(hao),還有(you)50Hz交流(liu)電的(de)幹擾(rao)信号(hao),真正(zheng)的現(xian)場存(cun)在的(de)幹擾(rao)要比(bi)這些(xie)強得(de)多,也(ye)就是(shi)使用(yong)捕捉(zhuo)數字(zi)脈沖(chong)的檢(jian)測方(fang)式不(bu)能檢(jian)測出(chu)📐低流(liu)速下(xia)的信(xin)号,這(zhe)些信(xin)号都(dou)對流(liu)速的(de)測量(liang),特别(bie)是低(di)流速(su)的測(ce)量産(chan)生很(hen)壞的(de)影響(xiang)。所以(yi)必須(xu)對原(yuan)始信(xin)号進(jin)行處(chu)理。從(cong)數字(zi)濾波(bo)前後(hou)的流(liu)速信(xin)号波(bo)形對(dui)比可(ke)以看(kan)出🈲，濾(lü)波後(hou)的波(bo)形要(yao)平滑(hua)的多(duo),也就(jiu)是将(jiang)大部(bu)分的(de)噪音(yin)信号(hao)去除(chu)了,這(zhe)樣就(jiu)可以(yi)方便(bian)進行(hang)計算(suan)，得出(chu)流速(su)值。從(cong)數字(zi)濾波(bo)後的(de)波形(xing)圖可(ke)🔞以看(kan)出,IIR濾(lü)波和(he)FIR濾🔱波(bo)都能(neng)夠達(da)到不(bu)錯的(de)效果(guo)，都可(ke)以完(wan)成流(liu)速‼️信(xin)号的(de)檢測(ce),可以(yi)根據(ju)它們(men)的适(shi)用場(chang)合和(he)适用(yong)條件(jian)不同(tong),決定(ding)♈選用(yong)具體(ti)的濾(lü)波方(fang)法，達(da)♋到檢(jian)測流(liu)速信(xin)号的(de)效果(guo)。

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