摘(zhai)要:傳統(tǒng)渦街流(liú)量計 由(you)于抗幹(gan)擾性差(cha)、測量精(jīng)度低等(deng)難以滿(mǎn)足實際(ji)測量的(de)需求🚶,開(kai)發抗擾(rǎo)型高渦(wo)街流量(liang)計已成(cheng)爲當前(qián)流量🙇🏻測(cè)量領域(yù)的重要(yao)發🙇🏻展方(fāng)向。針對(dui)現有産(chǎn)品存在(zai)的問題(ti),設計了(le)一種嵌(qian)入式渦(wo)街流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liang)計,給出(chu)了♻️硬件(jiàn)組成🏃‍♀️結(jié)構和相(xiàng)關電路(lù)原理圖(tú);并在信(xìn)号處理(lǐ)算法上(shang),采用⛹🏻‍♀️Chirp-Z變(bian)換的頻(pin)譜校正(zhèng)方法,對(dui)經FFT變換(huan)後的✌️渦(wō)街信号(hào)的頻譜(pǔ)主瓣進(jin)行局部(bù)細化,從(cóng)而在🌐運(yun)算量增(zēng)加不多(duō)的情況(kuang)下,提💜高(gao)了渦街(jiē)流量計(ji)的測量(liang)精度。并(bing)通過Matlab仿(pang)真實⚽驗(yan)對該頻(pin)譜校正(zhèng)方法進(jin)行有效(xiao)性驗證(zhèng)。仿真結(jie)果表明(ming):該方法(fǎ)具有校(xiào)正精度(du)高,響應(yīng)速度快(kuài)和使用(yòng)靈活🈲的(de)特點。
0引(yǐn)言
　　渦街(jiē)流量計(jì)廣泛應(yīng)用于過(guo)程測量(liàng)和控制(zhì)儀表中(zhong)。但在測(cè)量現場(chang),由于各(gè)種機械(xie)振動和(he)流場的(de)不穩定(ding),使得渦(wo)街信号(hao)中.摻雜(zá)✔️了各種(zhong)噪聲和(he)幹擾,不(bu)能有效(xiao)提取準(zhun)确☎️的渦(wo)街頻率(lǜ)信号,影(ying)響了流(liu)量計的(de)測量精(jīng)度。随着(zhe)單片機(jī)和DSP發展(zhan),國内外(wài)專家相(xiàng)繼提🚶‍♀️出(chu)采用各(gè)種數字(zi)信号處(chu)理的有(yǒu)關算法(fǎ)來處理(li)渦💜街信(xin)号,其中(zhong)FFT因其方(fāng)法直觀(guān),易于編(bian)程實現(xian)而被廣(guang)泛應用(yong),但由于(yu)FFT的栅欄(lán)效應，使(shi)得直🧡接(jiē)采用FFT變(biàn)換所獲(huo)得的頻(pín)譜具有(you)固定的(de)采樣間(jiān)距△f(△f=Fs/N,爲系(xì)統分辨(bian)率),從而(ér)産生最(zuì)大爲0.5Fs/N的(de)頻率測(cè)量誤差(chà)。爲了提(ti)高系統(tong)分辨率(lü)，在相同(tong)的采樣(yang)點🈲數下(xià)，就必須(xu)減小采(cai)樣頻💛率(lü),而采樣(yang)頻率又(you)受到香(xiāng)農📞采樣(yang)定理的(de)約束;若(ruò)不改變(biàn)采樣頻(pín)率,隻能(néng)增加采(cǎi)樣點🙇‍♀️數(shu)N,又會增(zēng)加數據(ju)的存儲(chu)量🌐和計(ji)算量,降(jiang)低了系(xì)統的實(shi)時性。可(kě)見,單純(chun)用FFT很難(nán)進一步(bu)提高測(cè)量精度(du),隻🌍有對(duì)FFT的結果(guǒ)🔴進行一(yi)定的改(gǎi)進和校(xiao)正,才能(neng)提🐪取更(gèng)精确的(de)頻率、幅(fu)值和相(xiang)位信息(xi)。爲此設(shè)計一種(zhǒng)嵌人式(shì)渦街流(liu)量計,在(zài)算法上(shang)利用Z平(píng)面上的(de)一段螺(luo)旋線做(zuo)等間隔(gé)采樣的(de)Z變換,在(zai)局部頻(pin)段内進(jìn)行頻譜(pǔ)細化,以(yi)達到進(jìn)一步提(tí)高測量(liàng)精度的(de)目的。
1渦(wo)街流計(ji)工作原(yuán)理與系(xi)統組成(cheng)
1.1渦街流(liu)量h計工(gong)作原理(li)
　　渦街流(liu)量計是(shì)基于卡(ka)門渦街(jiē)原理制(zhì)成的一(yī)種流體(tǐ)㊙️振💯蕩性(xìng)流量計(ji)，即在流(liú)動的流(liu)體中放(fang)置一個(ge)非💁流線(xian)型的對(dui)稱形狀(zhuang)的物體(tǐ){渦街流(liu)量傳感(gǎn)器中稱(chēng)㊙️之爲漩(xuan)渦發生(sheng)體)，就會(hui)在其下(xià)流兩側(cè)産生2列(liè)有規律(lü)的漩渦(wo)即卡門(mén)渦💯街,其(qí)漩渦💛頻(pín)率正比(bǐ)于來流(liu)速度:
F=Stʋ/D
　　式(shi)中:F爲單(dān)列漩渦(wo)頻率,Hz;D爲(wèi)漩渦發(fā)生體寬(kuan)度,m;ʋ爲漩(xuan)渦發🤩生(shēng)體兩側(ce)平均流(liú)速,m/s;St爲特(tè)勞哈爾(ěr)數,無量(liàng)綱,St的值(zhí)與漩渦(wō)發生體(tǐ)🏃‍♂️寬度D和(hé)雷諾數(shù)Re有關。
1.2硬(yìng)件系統(tong)組成結(jié)構
　　根據(ju)渦街流(liu)量計的(de)特點和(hé)數字信(xin)号處理(li)的運算(suan)要求♍,選(xuan)擇🤞了dsPIC30F6012單(dān)片機作(zuò)爲核心(xin)部件,它(tā)是一種(zhong)16位微處(chù)理器。其(qi)内部集(jí)成🔆有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP内核,當(dāng)内部時(shi)鍾頻率(lǜ)爲最高(gāo)120MHz時📞,進行(hang)1次16bitx16bit運算(suàn)爲8.3ns等特(tè)點。系統(tong)組成主(zhu)要包括(kuo):檢測電(diàn)路、放大(da)電路、顯(xiǎn)🏃‍♀️示電路(lu)、通信接(jie)口電路(lù)等,其系(xì)統組成(chéng)框圖如(rú)圖1所示(shi)。渦街傳(chuan)感器采(cai)集流量(liang)信号,壓(ya)力、溫度(du)傳感器(qì)采集流(liú)體溫度(dù)、壓🧡力信(xìn)号對流(liú)量信号(hao)加以實(shi)時補償(cháng)和修正(zheng)。
 
1.3前置放(fang)大器電(dian)路設計(jì)
　　前置放(fàng)大器由(you)電荷/電(diàn)壓轉換(huan)器、電壓(yā)放大器(qi)、低通濾(lü)波器組(zu)♈成。采用(yong)雙端輸(shū)人的電(dian)荷/電壓(yā)轉換器(qi),它把探(tàn)頭壓電(diàn)晶體輸(shū)出的交(jiāo)變電荷(he)信号變(biàn)換成與(yǔ)電荷量(liàng)成正比(bi)的電壓(ya)信号。電(diàn)壓放大(dà)器則利(li)用同相(xiàng)輸人的(de)🚶放大器(qì)來得到(dao)幅度适(shi)當的電(diàn)壓信号(hào)。設置低(di)通濾波(bo)✊器的作(zuò)用是爲(wèi)了消除(chú)渦街信(xìn)号中夾(jiá)帶的複(fu)雜噪🈲聲(shēng)。前置放(fàng)大器具(ju)體實現(xiàn)電路如(ru)圖2所示(shi)。
 
2系統的(de)軟件設(shè)計
2.1渦街(jiē)流量計(ji)信号采(cai)集和處(chù)理算法(fa)
　　N點FFT計算(suan)的頻譜(pu)實際上(shàng)是Z平面(miàn)單位圓(yuán)上的N點(diǎn)等間隔(ge)🐪采♌樣,Chirp-Z變(bian)換(即CZT)是(shi)Z平面螺(luó)旋線周(zhōu)線上Z變(bian)換的等(deng)間隔取(qu)樣,這些(xiē)取樣在(zai)螺旋線(xian)的某--部(bù)分上按(an)等角度(du)☎️分布。具(jù)體地說(shuo),令x(n)表示(shì)N點序列(lie),X(z)表示其(qí)Z變換,而(er)利用CZT算(suàn)法,可以(yi)計算給(gěi)定點z的(de)X(z),N點x(n)的Chirp-Z變(biàn)換爲:
 
　　這(zhè)裏ƒ(n)和h(n)的(de)離散卷(juàn)積可以(yi)用ƒ(n)和h(n)的(de)适當段(duan)的圓周(zhōu)卷積來(lái)實現，而(ér)圓周卷(juan)積可用(yong)FFT的方法(fa)求得。式(shi)(3)的計算(suàn)流程可(ke)用圖3所(suǒ)示的線(xiàn)性系統(tong)來表示(shì):
 
2.2處理算(suan)法實現(xiàn)步驟
CZT變(biàn)化的具(ju)體步驟(zhòu)如下:
(1)給(gei)定采樣(yang)數據x(n),信(xìn)号長度(du)N,信号的(de)采樣頻(pin)率Fs;
(2)對x(n)先(xian)做FFT變換(huàn),确定頻(pin)譜的頻(pín)段;
(3)确定(ding)待分析(xī)頻段的(de)起始頻(pin)率ƒb,頻寬(kuan)ƒw,取樣點(dian)數M以.及(jí)要達到(dao)的頻率(lǜ)分辨力(lì)△ƒ,後3個參(can)數滿足(zu)△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分(fèn)析變換(huan)結果,包(bao)括譜峰(feng)位置，大(da)小和相(xiàng)位等。
3系(xi)統仿真(zhen)實驗
3.1渦(wō)街信号(hao)模型的(de)建立
　　理(lǐ)論上渦(wō)街流量(liàng)計的輸(shū)出爲正(zhèng)弦波,而(ér)實際的(de)輸✍️出信(xin)号中往(wang)往含有(you)各種不(bú)同的噪(zào)聲和幹(gan)擾成分(fen),但在🐆信(xìn)号不被(bei)幹擾淹(yān)沒的情(qing)況下,其(qi)主要能(neng)量仍♈集(ji)中在有(yǒu)用的渦(wo)街頻率(lǜ)點上。因(yin)此,根據(ju)渦街流(liu)量計檢(jiǎn)測信🔴号(hào)的特點(diǎn)和噪聲(shēng)分析建(jiàn)立具有(you)以下形(xíng)式的渦(wo)街信😍号(hao)模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式(shì)中:ƒ1爲信(xin)号頻率(lü);ƒ2爲周期(qī)性噪聲(shēng)頻率;A1<A2;randn(size(t))爲(wèi)高斯白(bai)噪聲。
　　對(duì)于某一(yi)固定口(kǒu)徑的流(liú)量計,其(qi)量程比(bǐ)一般爲(wei)1:10,以DN50爲例(lì)，其氣體(ti)和液體(tǐ)的頻率(lǜ)測量範(fan)圍分别(bie)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據(jù)⚽由某儀(yí)表廠提(ti)供)，而包(bao)含🐉于.渦(wō)街信号(hào)的周期(qī)性噪聲(sheng)主要🔞的(de)出現在(zai)40Hz、50Hz至幾百(bai)Hz的頻帶(dai)内文中(zhong)的仿真(zhēn)實驗以(yǐ)檢測氣(qi)體流量(liang)的頻率(lǜ)爲例。
3.2仿(pang)真實驗(yan)結果
　　仿(páng)真實驗(yan)參數設(shè)定如下(xià):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲(wei)諧波幹(gàn)擾頻率(lǜ)。仿真㊙️實(shí)驗内容(róng)分别爲(wèi)利用FFT和(he)CZT變換兩(liang)種方法(fa)來提取(qǔ)🈚渦街信(xìn)号的主(zhǔ)頻。按照(zhào)建立的(de)渦街信(xìn)号模型(xíng),取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦(wo)街信🔞号(hào)在時域(yù)上的波(bo)形如圖(tú)4所示。從(cóng)圖中可(kě)以看出(chu),信号中(zhōng)混疊着(zhe)各種噪(zào)聲和幹(gan)擾,且渦(wō)街信号(hào)頻率越(yue)低，噪聲(sheng)幹擾越(yue)明🧑🏾‍🤝‍🧑🏼顯。
 
　　對(duì)渦街信(xìn)号做FFT變(biàn)換,并在(zai)Matlab環境下(xià)進行仿(pang)真,得到(dào)圖5所示(shì)🈲的頻譜(pǔ)圖,圖中(zhōng)譜峰值(zhi)最大的(de)即爲渦(wo)街信号(hao)的頻♈率(lü)值,将圖(tú)5局部放(fàng)大得到(dao)圖6。從圖(tu)6中可以(yǐ)看出:渦(wo)街信号(hao)的頻👉率(lǜ)大概在(zài)368Hz附近。
 
　　在(zai)FFT變換的(de)基礎上(shang),先确定(ding)頻譜中(zhōng)主瓣的(de)位置(仿(páng)真實驗(yan)中取最(zuì)🛀🏻大值和(he)次最大(dà)值之間(jian)作爲局(jú)部放大(dà)的主瓣(ban)位置),然(rán)後在此(ci)區間進(jin)行CZT變換(huàn),仿真結(jié)果如圖(tu)7所示:
 
　　渦(wo)街信号(hao)的頻率(lǜ)在364.24Hz附近(jìn),誤差爲(wèi)0.03Hz,與隻采(cai)用FFT變換(huan)的結果(guo)相比,測(cè)量精度(du)明顯提(ti)高。
　　用同(tong)樣的方(fang)法,通過(guò)對待檢(jiǎn)測的氣(qi)體流量(liang)輸出信(xìn)号❤️頻率(lǜ)的各🔞頻(pin)段各取(qu)2個頻率(lǜ)點,共8組(zǔ)數據,進(jin)行仿真(zhen)實驗,将(jiāng)📞FFT方法和(he)CZT方法進(jìn)行比較(jiào),結果如(ru)表1所示(shi)。從表1可(kě)以看出(chū)，經CZT方法(fa)校正後(hou)的絕對(dui)誤🔴差基(ji)本控制(zhì)在0.02Hz内,精(jīng)度大大(dà)提高。
 
5結(jie)束語
　　在(zài)渦街流(liú)量計中(zhong)采用Chirp-Z變(biàn)換的頻(pin)譜校正(zhèng)方法來(lai)提高的(de)測量精(jīng)度,該方(fāng)法的基(ji)本原理(li)是先進(jìn)行FFT變換(huan)😍,确定頻(pin)譜🔞中主(zhǔ)瓣的位(wei)置,然後(hòu)再用Chirp-Z變(biàn)換對主(zhu)瓣進行(háng)局部細(xi)化,從💔而(ér)降低頻(pín)譜上的(de)采樣間(jian)隔,達到(dào)提高渦(wo)街流量(liàng)計的測(cè)量精度(du)的目的(de),從仿真(zhen)實驗的(de)結果來(lái)看,校正(zheng)後的絕(jué)對誤差(chà)基本保(bǎo)👉持在0.02Hz以(yǐ)内，提高(gao)了渦街(jie)流量計(jì)的測量(liàng)精度,滿(man)足了渦(wo)街流🔅量(liang)計🌈實際(jì)測量的(de)需要。

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