摘要:傳統渦(wō)街流量計 由(you)于抗幹擾性(xìng)差、測量精度(du)低等難以滿(mǎn)足實際測量(liàng)的需求,開發(fa)抗擾型高渦(wo)街流量計已(yi)成爲當前流(liú)量測量領域(yu)的重要發展(zhǎn)方向。針對現(xiàn)有産品存在(zai)的問題,設計(ji)了一種嵌入(rù)式🈲渦街流㊙️量(liang)計,給出了硬(yìng)件組成結構(gòu)和相關電路(lu)原理圖;并在(zài)信号處理算(suàn)法上,采用Chirp-Z變(bian)換的頻譜校(xiào)正方法,對💯經(jīng)FFT變換後的渦(wō)街信号的💃頻(pín)☎️譜主瓣進行(hang)局部細化,從(cong)而在運算量(liang)增加不多的(de)情況下,提高(gao)了渦街流量(liàng)計的測量精(jing)度。并通過Matlab仿(pang)真實驗對該(gai)頻譜校正方(fang)法進行有效(xiao)性驗證。仿真(zhēn)結果表明:該(gai)方法具有校(xiao)正精度高,響(xiang)應速度快和(he)使用靈活的(de)特點。
0引言
　　渦(wo)街流量計廣(guang)泛應用于過(guò)程測量和控(kong)制儀表中。但(dàn)在測量現場(chǎng),由于各種機(ji)械振動和流(liu)場的不穩定(dìng),使得渦街信(xin)号中.摻雜了(le)各種噪聲和(hé)幹擾,不能⁉️有(you)效提取準确(que)的渦街💜頻率(lü)信㊙️号,影響了(le)流量計的測(ce)量精度。随着(zhe)單片機和DSP發(fā)展,國内外專(zhuān)家相繼提㊙️出(chū)采用各種⭐數(shù)字信号處理(lǐ)的有關算法(fa)來處理渦街(jie)信号,其中FFT因(yīn)㊙️其方法直觀(guan),易于編程實(shí)現而被廣泛(fàn)應用,但由于(yu)FFT的栅欄效應(ying)，使得直接采(cǎi)用FFT變換所🔴獲(huo)得的頻譜具(ju)有固定的采(cai)樣間距△f(△f=Fs/N,爲系(xi)統分辨率🔴),從(cong)而産生最大(dà)爲0.5Fs/N的頻🤞率測(cè)量誤差。爲了(le)提高㊙️系統分(fèn)辨率，在相同(tóng)的采樣點數(shù)下，就必須減(jian)小采樣頻率(lü),而采樣頻🔆率(lǜ)又受到香農(nong)采樣定理的(de)約束;若不改(gǎi)變采樣頻率(lǜ),隻能增加采(cai)樣🚶‍♀️點數N,又會(huì)增加數據的(de)存儲量和計(ji)算量,降低了(le)系統的實時(shi)性。可見,單純(chún)用FFT很難進一(yī)步提高測量(liang)精度,隻有對(duì)FFT的結果進♊行(hang)一定的改進(jin)和校⛷️正,才能(neng)提♌取更精确(que)的頻率、幅值(zhí)和相位信👉息(xi)。爲此設計一(yī)種嵌人式渦(wo)♌街流量計✉️,在(zai)算法上利用(yong)Z平面上的🏒一(yi)段螺旋線做(zuo)等間隔采樣(yang)的Z變換,在局(ju)部頻段内進(jìn)行頻譜細化(hua),以達🥰到進一(yi)步提高測量(liang)精度的目的(de)。
1渦街流計工(gōng)作原理與系(xì)統組成
1.1渦街(jiē)流量h計工作(zuo)原理
　　渦街流(liú)量計是基于(yú)卡門渦街原(yuán)理制成的一(yī)種流體振蕩(dang)♻️性流量計，即(jí)在流動的流(liu)體中放置一(yi)個非流線型(xing)的對稱形狀(zhuang)的物體{渦街(jiē)流量傳感器(qi)中稱之爲漩(xuán)渦發生體)，就(jiu)會在其下流(liu)兩側産生2列(lie)有規律的漩(xuán)渦即卡門渦(wo)街,其漩渦頻(pín)率正比于來(lái)流速度:
F=Stʋ/D
　　式中(zhōng):F爲單列漩渦(wo)頻率,Hz;D爲漩渦(wō)發生體寬度(dù),m;ʋ爲漩渦發生(shēng)體兩🆚側🐅平均(jun)流速,m/s;St爲特勞(láo)哈爾數,無量(liàng)綱,St的值與漩(xuan)渦發生體寬(kuān)度D和雷諾數(shu)Re有關。
1.2硬件系(xì)統組成結構(gou)
　　根據渦街流(liu)量計的特點(dian)和數字信号(hao)處理的運算(suàn)🈲要求🈚,選擇了(le)dsPIC30F6012單片機作爲(wei)核心部件,它(ta)是一種16位微(wēi)處理器。其内(nei)部集成有1個(ge)16位CPU和1個DSP内核(hé),當内部時鍾(zhong)頻率爲最高(gāo)120MHz時,進行1次16bitx16bit運(yun)算爲8.3ns等特點(dian)❓。系統組成主(zhǔ)要包括:檢測(ce)電路、放大電(diàn)路、顯示電路(lu)、通信接口電(dian)🔴路等,其系統(tǒng)組成框圖如(ru)圖1所示。渦街(jie)🌐傳感器采集(ji)❗流量信号,壓(yā)力、溫度傳感(gǎn)器采集流體(tǐ)溫度、壓力信(xìn)㊙️号對流量信(xìn)号加以實時(shi)補償和修正(zhèng)。
 
1.3前置放大器(qi)電路設計
　　前(qian)置放大器由(you)電荷/電壓轉(zhuan)換器、電壓放(fàng)大器、低通濾(lǜ)波器組成🔴。采(cǎi)用雙端輸人(rén)的電荷/電壓(ya)轉換器,它把(ba)探頭壓電晶(jing)體輸出的交(jiao)變電荷信号(hào)變換成與電(diàn)荷量成正比(bi)的電壓信号(hào)。電壓放大器(qì)則利用同相(xiàng)輸人的放大(dà)器來得到幅(fu)度适當的電(diàn)壓信号。設置(zhi)低通濾波器(qì)的作用是爲(wèi)了消除渦💔街(jiē)信号中夾🚶‍♀️帶(dai)的複雜噪聲(sheng)。前置放大器(qì)具🏃‍♀️體實現電(dian)路如圖2所示(shì)。
 
2系統的軟件(jiàn)設計
2.1渦街流(liú)量計信号采(cai)集和處理算(suàn)法
　　N點FFT計算的(de)頻譜實際上(shang)是Z平面單位(wèi)圓上的N點等(deng)間隔采樣,Chirp-Z變(biàn)換(即CZT)是Z平面(miàn)螺旋線周線(xian)上Z變換的等(děng)間隔取樣,這(zhe)些取樣在螺(luo)旋線的某--部(bù)分上按等角(jiǎo)度分布。具體(tǐ)地說,令x(n)表示(shì)N點序列,X(z)表示(shì)其🤩Z變換,而利(li)用💃CZT算法,可以(yǐ)計算給定點(dian)z的X(z),N點x(n)的🥵Chirp-Z變換(huàn)爲:
 
　　這裏ƒ(n)和h(n)的(de)離散卷積可(kě)以用ƒ(n)和h(n)的适(shì)當段的圓周(zhōu)卷🚶積來實現(xian)，而圓周卷積(ji)可用FFT的方法(fǎ)求得。式(3)的計(jì)算流程🛀可用(yong)圖3所示的🌍線(xian)性系統來表(biao)示:
 
2.2處理算法(fǎ)實現步驟
CZT變(biàn)化的具體步(bu)驟如下:
(1)給定(ding)采樣數據x(n),信(xìn)号長度N,信号(hao)的采樣頻率(lǜ)Fs;
(2)對x(n)先做FFT變換(huàn),确定頻譜的(de)頻段;
(3)确定待(dai)分析頻段的(de)起始頻率ƒb,頻(pín)寬ƒw,取樣點數(shu)M以.及要達到(dao)的頻率分辨(bian)力△ƒ,後3個參數(shù)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分(fèn)析變換結果(guo),包括譜峰位(wei)置，大小和相(xiàng)位等。
3系統仿(pang)真實驗
3.1渦街(jiē)信号模型的(de)建立
　　理論上(shàng)渦街流量計(jì)的輸出爲正(zhèng)弦波,而實際(ji)的輸出信号(hao)👈中往往含有(you)各種不同的(de)噪聲和幹擾(rǎo)成分,但在信(xin)号不被幹擾(rao)🚶淹沒的情況(kuang)下,其主要能(neng)量仍🚶集中在(zài)有用的渦街(jiē)頻♍率點上。因(yin)此,根🤞據渦街(jiē)流量計檢測(ce)信号的特點(diǎn)和噪聲分析(xī)建立具有以(yi)下形🧡式的渦(wo)街信号模型(xíng):
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式中:ƒ1爲信号(hao)頻率;ƒ2爲周期(qi)性噪聲頻率(lü);A1<A2;randn(size(t))爲高斯白噪(zào)聲。
　　對于某一(yī)固定口徑的(de)流量計,其量(liang)程比一般爲(wèi)1:10,以DN50爲例，其氣(qì)體和液體的(de)頻率測量範(fan)圍分别爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數(shu)據由某儀表(biǎo)廠提供)，而包(bāo)含🤩于.渦街信(xin)号的周期性(xìng)噪❤️聲主要👈的(de)出現🔞在40Hz、50Hz至幾(ji)百Hz的頻⁉️帶内(nei)文中的仿真(zhēn)實驗以檢測(ce)⚽氣體流量的(de)頻率爲🙇‍♀️例。
3.2仿(pang)真實驗結果(guǒ)
　　仿真實驗參(can)數設定如下(xià):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波(bō)幹擾頻率。仿(pang)真實驗内🈲容(rong)分别爲利用(yong)FFT和CZT變換兩種(zhǒng)方法來提取(qǔ)❗渦街㊙️信号的(de)主頻。按照建(jiàn)立的渦街信(xin)号模型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則(zé)渦街信号在(zai)時🐉域上的波(bo)形如圖4所示(shì)。從圖中可以(yǐ)看出,信号中(zhong)混疊着各種(zhong)噪聲和幹擾(rǎo),且渦街信号(hao)頻率越低，噪(zào)☁️聲幹擾越明(míng)顯。
 
　　對渦街信(xìn)号做FFT變換,并(bìng)在Matlab環境下進(jin)行仿真,得到(dao)圖5所示的頻(pín)譜圖,圖中譜(pǔ)峰值最大的(de)即爲渦街信(xin)号🏃🏻的頻❓率值(zhi),将圖🎯5局部放(fang)大🈲得到圖6。從(cóng)圖6中可以看(kan)出:渦街信号(hào)的頻率大概(gài)在368Hz附近。
 
　　在FFT變(bian)換的基礎上(shàng),先确定頻譜(pǔ)中主瓣的位(wèi)置(仿真實驗(yàn)中取最⭕大值(zhi)和次最大值(zhí)之間作爲局(jú)部放大的主(zhǔ)瓣位置),然✂️後(hòu)在此區間進(jin)行CZT變換,仿真(zhen)結果如圖7所(suo)示:
 
　　渦街信号(hào)的頻率在364.24Hz附(fu)近,誤差爲0.03Hz,與(yǔ)隻采用FFT變換(huan)的結果相比(bi),測量精度明(ming)顯提高。
　　用同(tong)樣的方法,通(tōng)過對待檢測(cè)的氣體流量(liang)輸出信号頻(pin)率的各🌏頻段(duàn)各取2個頻率(lǜ)點,共8組數據(jù),進行仿真實(shi)驗,将FFT方法☂️和(hé)CZT方✉️法進行比(bǐ)較,結果如表(biǎo)1所示。從表1可(ke)以看出，經CZT方(fang)法校正後的(de)💯絕對誤差基(ji)本控制在0.02Hz内(nei),精度大大提(ti)高。
 
5結束語
　　在(zài)渦街流量計(jì)中采用Chirp-Z變換(huan)的頻譜校正(zhèng)方法來提高(gao)的測📞量精度(dù),該方法的基(ji)本原理是先(xian)進行FFT變換,确(què)定頻譜中主(zhu)瓣的位置,然(ran)後再用Chirp-Z變換(huàn)對主瓣進行(hang)局部細化,從(cong)而降低頻譜(pu)上✂️的采樣間(jian)隔,達到提高(gāo)渦街流🈲量計(jì)的測量精度(dù)的✍️目的,從仿(páng)真實驗的結(jie)果來看,校正(zheng)後的絕對誤(wu)差基本保持(chi)在0.02Hz以内，提高(gao)了渦街流量(liàng)🔱計的測量精(jīng)度,滿足了渦(wo)街流👅量計實(shi)際測量的需(xū)要。

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