摘(zhāi)要:介紹(shào)了渦街(jie)流量計(jì) 原理,研(yán)究了渦(wo)街信号(hào)處理方(fang)法,設計(jì)了IIR和FIR數(shu)字濾波(bō)器,并用(yong)👅圖形化(huà)編程軟(ruan)件Lab-VIEW進行(hang)仿真實(shí)驗,觀察(chá)了數字(zì)濾波✍️器(qì)在渦街(jie)信号處(chù)理中的(de)效果。
1渦(wo)街流置(zhì)計
　　流量(liàng)計量是(shì)計量科(ke)學技術(shù)的組成(cheng)部分之(zhi)一,它與(yu)🍉國民經(jing).濟、國防(fang)建設、科(kē)學研究(jiu)有着密(mì)切的關(guan)系,随着(zhe)我國工(gōng)農業✉️的(de)發展,對(duì)🐕流體流(liu)量的計(jì)量提出(chū)了越來(lai)越多、越(yuè)來越高(gao)的✨要求(qiú),特别是(shì)在注重(zhong)節省能(néng)源、提高(gao)經濟效(xiào)益和産(chǎn)品質量(liàng)🧡的今天(tian)，流量計(jì)量與💃測(ce)試的重(zhòng)要性就(jiù)更加突(tū)出了,并(bing)且爲越(yuè)來越多(duo)的♻️人所(suo)認識。在(zài)氣🏃‍♂️體、液(yè)體、蒸汽(qi)的流量(liang)測量中(zhong)，渦街流(liú)量計具(ju)有精度(dù)高量程(cheng)比較寬(kuān)、線性度(dù)較好、壓(ya)力損👅失(shi)小、性能(neng)可靠、測(ce)量❄️元件(jiàn)結構簡(jiǎn)單、使用(yòng)壽命長(zhang)、安裝維(wéi)護方便(bian)、适用各(ge)種介質(zhi)等📧一系(xì)列的優(you)點,在計(jì)⛹🏻‍♀️量檢測(cè)中發揮(hui)越來越(yuè)大的作(zuò)用，有着(zhe)廣⚽泛的(de)應用前(qian)景。
2渦街(jiē)信号研(yan)究
　　理想(xiǎng)情況下(xià),渦街流(liú)量傳感(gǎn)器的輸(shū)出信号(hào)應該是(shì)正弦波(bo)，其頻率(lǜ)與流體(ti)的流速(sù)成正比(bǐ)。然而,工(gong)業現場(chang)的噪聲(shēng)是普遍(bian)存🍉在的(de),這些噪(zao)聲信号(hao)包括管(guan)道内流(liú)動介質(zhi)的湍流(liú)、脈🔱動、流(liú)場的不(bú)穩定及(ji)不均勻(yún)性對渦(wo)街發生(shēng)體施加(jia)不規則(zé)的附加(jia)作用力(lì)而産生(sheng)的流體(ti)流動噪(zào)聲。當規(guī)則渦街(jie)産生後(hou),在工作(zuo)信🐅号上(shàng)會叠加(jia)一種1/5到(dào)1/10渦街頻(pin)率的流(liu)體低頻(pin)擺動噪(zào)聲,或輸(shū)送🐇流體(ti)的🈚管道(dào)偶爾受(shou)到外力(li)撞擊,會(huì)産生🌍随(suí)機振動(dòng)噪聲;以(yǐ)及🔞各種(zhǒng).動力源(yuan),如水泵(bèng)、壓縮機(ji)等的振(zhen)動由管(guǎn)道傳遞(di)到傳感(gan)器上,造(zào)成渦街(jie)發生體(ti)上産生(shēng)附加的(de)慣性應(ying)力,形成(cheng)的振動(dong)噪聲。因(yin)此，實際(jì)的渦街(jiē)傳感器(qì)的輸出(chu)信👨‍❤️‍👨号遠(yuǎn)非理想(xiang)的正弦(xián)波信号(hào)🏒,而是一(yī)個混有(yǒu)強噪聲(shēng)的混合(hé)信号,它(tā)是由兩(liang)部分信(xin)号組成(chéng):一是流(liú)速産生(sheng)的渦街(jiē)信号S(t),二(èr)是幹擾(rao)引起的(de)噪聲信(xìn)号N(t),即實(shi)際的渦(wo)街信号(hào)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zào)聲信号(hào)中又含(hán)有确定(dìng)性分量(liang)和随機(ji)分量。随(sui)機分量(liàng)可認爲(wèi)是服㊙️從(cóng)高斯分(fèn)布的白(bái)噪聲信(xìn)号,而确(que)定性分(fèn)量是由(yóu)流🐆體低(dī)頻擺動(dong)或動力(lì)源振動(dòng)引起,獨(du)立♈于渦(wō)街信号(hào),可由另(ling)🌐-一個正(zhèng)弦信号(hào)來🔴模拟(ni)。因🐆此，渦(wo)街傳感(gǎn)器的輸(shu)出信号(hào)Y(t)可以用(yong)下面的(de)式子近(jin)似表示(shi):
 
　　式中:Ao，fo,Q。分(fèn)别表示(shi)渦街信(xin)号S(t)的幅(fú)值、頻率(lü)和初始(shǐ)相位;A1，f1,Q1分(fèn)别表示(shì)🐅噪聲信(xin)号N(t)中諧(xié)波幹擾(rao)分量的(de)幅值、頻(pin)率和初(chu)始相位(wei);d表♋示噪(zào)聲信号(hao)N(t)中的高(gao)斯分布(bu)白噪聲(shēng)👈會疊加(jia)🐪在渦街(jiē)信号中(zhong),使測量(liang)結果産(chǎn)生較明(míng)顯的誤(wu)差。所以(yǐ),選用适(shì)當的數(shu)字信号(hào)處方法(fa)🔞去除信(xin)号⭕中噪(zao)聲的幹(gan)擾,最大(da)程度的(de)複現流(liú)速信号(hao),是進行(háng)渦街信(xìn)号處理(lǐ)的主要(yào)任務。
3數(shu)字濾波(bo)器的設(she)計
　　用窗(chuang)函數法(fa)設計FIR數(shu)字濾波(bō)器就是(shì)用有限(xiàn)長的脈(mo)🍓沖響🏒應(ying)序列來(lai)逼近無(wú)限長的(de)脈沖響(xiang)應序列(lie)。基本設(she)計思想(xiang)爲:首先(xiān)選定一(yī)㊙️個理想(xiǎng)的選頻(pín)濾波器(qi),然後截(jie)取它的(de)脈沖響(xiang)應得到(dào)線性相(xiàng)位和因(yin)果的FIR濾(lü)💜波器。因(yīn)此,這種(zhong)方法的(de)重點是(shi)選擇-一(yi)個合适(shì)的窗🌂函(han)數和理(li)想濾波(bō)器。一個(ge)理想低(di)通濾波(bo)器的頻(pin)率🚶響應(ying)爲:
 
　　其中(zhōng),;wc是濾波(bō)器的截(jié)止頻率(lǜ),a爲采樣(yang)延遲這(zhè)個濾波(bo)🏒器的脈(mo)沖響應(yīng)具有無(wú)限持續(xù)時間,它(ta)由下式(shi)給定:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關于(yu)a對稱,這(zhè)一點對(dui)于線性(xìng)相位濾(lǜ)波器是(shì)有用的(de)。
　　爲了從(cóng)hd(n)得到一(yi)個FIR濾波(bo)器,必須(xū)同時在(zài)兩邊截(jié)取hd(n)。而要(yào)得到-一(yī)個📐因果(guǒ)的線性(xìng)相位濾(lü)波器,且(qie)它h(n)的長(zhang).度👌爲M,這(zhè)👣種操🔞作(zuo)叫🙇🏻做“加(jia)窗”,則h(n)可(ke)以看作(zuò)是hd(n)與窗(chuang)函數w(n)的(de)乘積:根(gēn)據w(n)的不(bú)同定義(yì)，可以得(de)到各種(zhong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不同的(de)窗結構(gou)，包括矩(ju)形窗、三(san)角型窗(chuang)、漢甯窗(chuang)、海明窗(chuāng)、布萊克(kè)曼窗等(děng),這裏采(cǎi)用的是(shi)海明窗(chuāng)進行FIR數(shu)字濾波(bo)器的設(shè)🤞計。海明(ming)窗這種(zhǒng)窗函數(shù)是漢甯(níng)窗的一(yi)種變形(xing),它的形(xíng)狀也相(xiang)似于一(yī)個餘弦(xian)曲線。可(ke)定義爲(wei):
 
　　窗函數(shù)設計FIR濾(lü)波器的(de)步驟:
1)根(gēn)據技術(shu)要求确(què)定待求(qiu)濾波器(qi)的單位(wèi)取樣hd(n)。如(ru)果給出(chu)待求濾(lü)波器的(de)頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那(na)麽單位(wèi)取樣響(xiang)應用下(xià)式求出(chu):
 
2)據對過(guo)渡帶及(jí)阻帶衰(shuai)減的要(yao)求,選擇(ze)窗函數(shu)的形式(shì)，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度n。
3)計算(suàn)濾波器(qì)的單位(wei)取樣響(xiǎng)應h(n)。
4)驗算(suàn)技術指(zhǐ)标是否(fǒu)滿足要(yào)求。設計(jì)出的濾(lü)波器頻(pin)率響㊙️應(yīng)用下式(shi)計算:
 
　　計(jì)算上式(shi)時可以(yǐ)用FFT算法(fǎ)。如果H(ejw)不(bú)滿足要(yao)求,根據(ju)具體情(qing)況重複(fu)♈2,3,4步,直到(dao)滿足要(yao)求。
　　流速(sù)信号中(zhong)存在大(dà)量的噪(zao)音幹擾(rǎo)信号,由(you)管道振(zhèn)👈動、外界(jiè)振動引(yin)起的幹(gàn)擾信号(hào),還有50Hz交(jiāo)流電的(de)幹擾信(xìn)号,真正(zheng)的現場(chǎng)存在的(de)幹擾要(yào)比這些(xie)強得多(duo),也👈就是(shì)使用捕(bu)捉數字(zì)脈沖的(de)檢測方(fang)式不能(néng)檢測出(chū)低流速(sù)下的信(xìn)号,這些(xiē)信号都(dou)對流速(su)的測量(liang),特别🌏是(shi)低流速(su)的測量(liàng)産生很(hěn)壞的影(ying)響。所以(yi)必須對(duì)原⛷️始信(xin)号進行(háng)處理。從(cong)數字濾(lǜ)波前後(hou)的流速(sù)信号波(bō)形對比(bǐ)可以看(kàn)出，濾波(bo)後的波(bo)形要平(píng)滑的多(duo),也就是(shì)将大部(bù)分的噪(zao)音信号(hao)去除了(le),這樣就(jiù)可以方(fāng)便進行(hang)計算，得(de)出流速(su)值。從數(shu)字濾波(bo)後的波(bō)形圖可(kě)🎯以看出(chū),IIR濾波和(hé)FIR濾波都(dōu)能夠達(da)到不錯(cuò)的效果(guo)，都可🔱以(yǐ)完成流(liú)速信号(hao)的檢測(cè),可以根(gen)據它們(men)的适用(yòng)場合和(hé)适用條(tiao)件不同(tong),決定選(xuan)用具體(ti)的濾波(bō)方法，達(dá)到檢測(ce)流♋速信(xin)号的效(xiào)果。

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