摘(zhāi)要:介紹(shào)了渦街(jie)流量計(ji) 原理,研(yan)究了渦(wo)街信号(hao)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(ruǎn)件Lab-VIEW進行(hang)仿真實(shi)驗,觀察(cha)了🥵數字(zì)濾波器(qì)在渦街(jiē)信号處(chù)理中的(de)效果。
1渦(wō)街流置(zhi)計
　　流量(liàng)計量是(shi)計量科(ke)學技術(shu)的組成(cheng)部分之(zhī)一,它與(yu)國🌈民經(jīng).濟、國⛹🏻‍♀️防(fáng)建設、科(ke)學研究(jiū)有着密(mi)切的關(guān)系,随着(zhe)我國工(gōng)農業的(de)發展,對(dui)流體流(liu)量的計(ji)量提出(chu)了越來(lai)越多、越(yuè)來🔞越高(gao)的要求(qiú),特别是(shi)在注重(zhong)節省能(neng)源、提高(gao)經濟效(xiao)益和産(chan)品質量(liang)的今天(tian)，流♻️量計(ji)量與❗測(cè)試的重(zhòng)要🛀🏻性就(jiu)更加突(tu)出了,并(bing)且爲越(yuè)來越多(duo)的❤️人所(suǒ)認識。在(zai)氣🈚體、液(ye)體、蒸汽(qì)的流量(liang)測量中(zhong)，渦街流(liu)👣量計具(jù)有✍️精度(dù)高量程(cheng)比👌較寬(kuan)、線性度(dù)較好、壓(yā)力損失(shī)小、性能(neng)可靠、測(cè)量✨元件(jiàn)結構簡(jian)單、使用(yòng)壽命長(zhǎng)、安♌裝維(wéi)護方便(bian)、适用各(ge)種介質(zhì)等一系(xi)列的優(you)點❌,在計(jì)量檢測(cè)中發揮(huī)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(xia),渦街流(liú)量傳感(gǎn)器的輸(shū)出信号(hao)應該是(shi)📧正弦🆚波(bō)，其頻率(lǜ)與流體(tǐ)的流速(sù)成正比(bi)。然而,工(gōng)業現場(chang)的噪聲(shēng)是普遍(biàn)存在的(de),這些噪(zao)聲信号(hao)包括管(guan)道内流(liu)動介質(zhì)的湍流(liú)、脈動、流(liu)場的不(bu)穩定及(jí)不均勻(yun)性對渦(wō)街發生(shēng)體施加(jia)不規則(zé)的附加(jia)作用力(lì)而産‼️生(shēng)的流體(ti)流動噪(zào)聲。當規(guī)🤩則渦街(jie)産生後(hou),在工作(zuò)信号上(shàng)會叠加(jia)一種1/5到(dào)1/10渦街頻(pín)率♉的流(liu)體低頻(pin)擺動噪(zào)聲,或輸(shu)送流體(ti)的管道(dào)偶🌈爾受(shou)到外力(lì)撞擊,會(hui)産生随(sui)機振動(dong)噪聲;以(yǐ)及✨各種(zhǒng).動力源(yuan),如水泵(bèng)、壓縮機(ji)等的振(zhèn)動由💃🏻管(guan)道傳遞(dì)到傳感(gǎn)器上,造(zào)成渦街(jie)發生體(ti)上産生(sheng)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(jie)傳感器(qi)的輸出(chū)信号遠(yuǎn)非理想(xiǎng)的正弦(xián)波信号(hao),而是一(yī)個混有(yǒu)強噪🛀🏻聲(sheng)的混合(hé)信号,它(ta)是由兩(liang)部分信(xìn)号組成(chéng):一是流(liu)速産生(shēng)的渦街(jie)信号S(t),二(èr)是幹擾(rǎo)引起的(de)噪聲信(xin)号N(t),即實(shí)際的渦(wō)街信号(hao)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zào)☀️聲🈲信号(hào)中又含(han)有确定(dìng)性分量(liàng)和随機(ji)分量。随(sui)機分量(liàng)可認爲(wèi)是服從(cong)高斯分(fen)布的白(bai)噪聲信(xìn)号,而确(què)定性分(fen)量是由(yóu)流體低(di)頻擺動(dong)或動力(lì)源振動(dong)引起,獨(du)立于渦(wō)街信号(hào),可由另(lìng)-一個正(zhèng)弦信号(hào)🌂來模拟(nǐ)。因此，渦(wō)街傳感(gǎn)器的輸(shu)出信号(hao)Y(t)可以用(yòng)下面的(de)式子近(jin)似表示(shì):
 
　　式中:Ao，fo,Q。分(fen)别表示(shi)渦街信(xìn)号S(t)的幅(fu)值、頻率(lǜ)和初始(shi)相位;A1，f1,Q1分(fèn)别表示(shì)噪聲信(xin)号N(t)中諧(xie)波幹擾(rao)分量的(de)幅值、頻(pin)率和初(chū)始相位(wèi);d表示噪(zào)聲信号(hào)N(t)中的高(gāo)斯分布(bù)白噪聲(sheng)會疊加(jia)在渦街(jie)信号中(zhong),使測量(liàng)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(xìn)号中噪(zào)聲的幹(gan)擾,最大(dà)程度的(de)複現流(liú)速信号(hào),是進行(hang)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(chuāng)函數法(fa)設計FIR數(shu)字濾波(bo)器就是(shi)用有限(xiàn)長的脈(mò)沖響應(ying)序列來(lái)逼近無(wú)限長的(de)脈沖響(xiǎng)應序列(lie)。基本設(she)計❌思想(xiang)爲:首先(xian)選定一(yī)個理想(xiang)的選頻(pin)濾波器(qì),然🏃‍♀️後截(jie)取它的(de)脈沖響(xiǎng)應得到(dào)線性相(xiàng)位和因(yin)果的FIR濾(lǜ)波器。因(yīn)此,這種(zhǒng)方法的(de)重點是(shì)選擇-一(yi)個合适(shì)的窗函(han)數和理(li)想濾波(bo)器。一個(ge)理想低(di)通濾波(bō)器的頻(pin)率🔴響應(yīng)爲:
 
　　其中(zhong),;wc是濾波(bō)器的截(jie)止頻率(lü),a爲采樣(yàng)延遲這(zhè)個濾波(bō)📱器的脈(mò)沖響應(ying)具有無(wú)限持續(xu)時間,它(ta)由下式(shi)給定💃:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關于(yu)a對稱,這(zhe)一點對(dui)于線性(xìng)相位濾(lǜ)波器是(shi)有用的(de)。
　　爲了從(cóng)hd(n)得到一(yi)個FIR濾波(bō)器,必須(xū)同時在(zai)兩邊截(jie)取hd(n)。而⛱️要(yào)得到-一(yi)♍個🛀因果(guǒ)的線性(xing)相位濾(lü)波器,且(qie)它h(n)的長(zhǎng).度爲M,這(zhe)🧡種操作(zuo)叫做“加(jiā)窗”,則h(n)可(kě)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(bu)同定義(yì)，可以得(de)到各種(zhǒng)不同的(de)窗結構(gou)，包括矩(jǔ)形窗、三(san)角型窗(chuāng)、漢甯窗(chuang)、海明窗(chuāng)、布萊克(kè)曼窗等(deng),這裏采(cai)用的是(shì)海明窗(chuang)進行FIR數(shu)字濾波(bo)器的設(she)計。海明(míng)窗這種(zhǒng)窗函數(shu)是漢甯(ning)窗的一(yi)種變形(xing),它的形(xíng)狀也相(xiàng)似于一(yī)個餘弦(xián)☂️曲線。可(kě)定義爲(wei):
 
　　窗函數(shu)設計FIR濾(lǜ)波器的(de)步驟:
1)根(gēn)據技術(shù)要求确(què)定待求(qiú)濾波器(qì)的單位(wei)取樣hd(n)。如(rú)果給出(chū)待🔴求濾(lǜ)波器的(de)頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那(na)麽單位(wei)取樣響(xiang)應用下(xia)式求出(chū):
 
2)據對過(guo)渡帶及(jí)阻帶衰(shuāi)減的要(yao)求,選擇(ze)窗函數(shù)的形式(shi)，并估計(ji)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(suan)技術指(zhǐ)标是否(fou)滿足要(yào)求。設計(ji)出的濾(lǜ)波器頻(pín)率響應(ying)用下式(shì)計算:
 
　　計(jì)算上式(shì)時可以(yi)用FFT算法(fǎ)。如果H(ejw)不(bú)滿足要(yào)求,根據(jù)具體📧情(qing)況重複(fú)2,3,4步,直到(dao)滿足要(yào)求。
　　流速(sù)信号中(zhong)存在大(dà)量的噪(zào)音幹擾(rǎo)信号,由(you)管道振(zhen)動、外界(jiè)振動引(yin)起的幹(gan)擾信号(hào),還有50Hz交(jiāo)流電的(de)幹擾信(xìn)号,真正(zheng)的現場(chang)存在的(de)幹擾要(yào)比這些(xie)強得多(duō),也就是(shì)使用捕(bǔ)捉☔數字(zì)脈👈沖的(de)檢測方(fāng)式💔不能(néng)檢測出(chū)🌍低流速(su)下的信(xin)号,這些(xie)信号都(dou)對流速(sù)的測量(liang),特别🐆是(shì)低流速(sù)的測量(liang)産生很(hěn)壞的影(yǐng)響。所以(yi)必須對(duì)原始信(xìn)号進行(háng)處理。從(cong)數字濾(lǜ)波前後(hou)的流速(su)信号波(bo)形對比(bǐ)可以看(kan)出🔞，濾波(bō)後的波(bo)形要平(píng)滑的多(duo),也就📞是(shi)将大部(bù)分的噪(zao)音㊙️信号(hao)去除了(le),這樣就(jiu)可以方(fāng)便🌍進行(háng)計算，得(de)出流速(su)值。從數(shu)字濾波(bō)後的波(bo)形圖可(ke)以看出(chu),IIR濾波和(he)FIR濾波都(dou)能夠達(dá)到不錯(cuo)的✊效果(guǒ)，都可以(yi)完成流(liú)速信号(hao)的檢測(ce),可以根(gēn)據它們(men)的适用(yòng)場合和(he)适用條(tiáo)件不同(tóng),決定選(xuǎn)用🌏具體(tǐ)的濾波(bo)方法，達(da)到檢測(ce)流速信(xìn)号的效(xiào)果。

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