摘要:介紹(shào)了渦街流量計
原(yuan)理,研究了渦街信(xin)号處理方法,設計(ji)了IIR和FIR數字濾波器(qì),并用圖⛱️形化編程(chéng)軟件Lab-VIEW進行仿真實(shi)驗,觀察了數字濾(lǜ)波器在渦街信号(hào)處理中的效果。
1渦(wo)街流置計
流量計(ji)量是計量科學技(jì)術的組成部分之(zhi)一,它與國🎯民經🈲.濟(jì)、國防建設、科學研(yan)究有着密切的關(guan)系,随着我國工農(nong)業的發展,對流體(tǐ)流量的計量提出(chū)了越來越多、越來(lái)越高的要求,特别(bie)是在注重節省能(neng)源、提高經🔴濟效益(yì)和産品質量的今(jin)天，流量計量與測(cè)試的重要性就更(gèng)加突出了,并且爲(wèi)越來越多的🐇人所(suǒ)認識。在氣體、液體(ti)、蒸汽的💁流量測量(liang)中，渦街流量計具(ju)有精度高量程比(bǐ)較寬、線性🔅度較好(hǎo)、壓力損失小、性能(néng)可靠、測量元件結(jie)構簡單、使♉用壽命(ming)長、安裝維護方便(bian)、适用各種介質等(děng)一系列的優點🈲,在(zai)計量檢測中發揮(huī)越來越大的作用(yòng)，有着廣泛的應用(yòng)🏃♂️前景。
2渦街信号研(yan)究
理想情況下,渦(wo)街流量傳感器的(de)輸出信号應該是(shi)正弦波，其頻率與(yu)流體的流速成正(zheng)比。然而,工業現👉場(chǎng)的噪聲是普🥵遍存(cún)在的,這些噪聲信(xìn)号包括管道🏃🏻♂️内流(liú)動介質的湍流、脈(mò)動、流場的不穩定(ding)及不均勻☁️性對渦(wō)街發生體施加不(bú)規則的附加作用(yong)力而産生的流體(tǐ)流動噪聲。當規則(zé)渦街産生後,在工(gōng)作信号上會叠加(jia)一種1/5到1/10渦街頻率(lǜ)的流體低頻擺動(dong)噪聲,或輸送流體(ti)的管道偶爾受到(dào)外力撞擊,會産生(sheng)随機振動噪聲;以(yǐ)及各種.動力源,如(rú)水泵👄、壓縮機等的(de)振動由管道傳遞(dì)到傳感器上,造成(cheng)渦街發生體💁上産(chan)生附加的慣性應(yīng)力,形成的振動噪(zao)聲。因此，實際的渦(wō)街傳感器的輸出(chū)信号遠非理想的(de)正弦波信号,而是(shi)一個混有強噪聲(shēng)的混合信号,它是(shì)由兩部分信号🤩組(zu)成:一是流速産生(shēng)的渦街❓信🌈号S(t),二是(shì)幹🙇🏻擾引起的噪聲(shēng)信号N(t),即實際的渦(wō)街信号Y(t)=S(t)+N(t),其中噪聲(sheng)信号中又含有确(què)定性分量和随機(jī)分量。随機分量可(ke)認爲是服🚶從高斯(sī)分布的白噪聲信(xin)号,而确定性♻️分量(liang)是由流體低頻擺(bǎi)動💰或動力源振動(dòng)引起,獨立于渦街(jiē)信号,可由另-一個(ge)正弦信号來模拟(ni)。因此，渦街傳感器(qi)的輸出信号Y(t)可以(yǐ)用下面的式子近(jìn)似表示:
式中:Ao，fo,Q。分别(bié)表示渦街信号S(t)的(de)幅值、頻率和初始(shǐ)相位;A1，f1,Q1分别表示噪(zào)聲信号N(t)中諧波幹(gàn)擾分量的幅值、頻(pín)率和初始相位;d表(biao)示噪聲信号N(t)中的(de)高斯分布白噪聲(sheng)會疊加在渦街🧑🏽🤝🧑🏻信(xìn)号中,使測量結果(guǒ)産🔴生較明顯的🐉誤(wu)差。所以,選用适當(dāng)的數字信🈲号處方(fāng)法去除信号⛱️中噪(zào)聲的幹擾,最大程(cheng)度的複現流速❗信(xìn)号,是進行渦街信(xin)号處理的主要任(rèn)務。
3數字濾波器的(de)設計
用窗函數法(fa)設計FIR數字濾波器(qi)就是用有限長的(de)脈沖響❌應序列來(lai)逼近無限長的脈(mo)沖響應序列。基本(ben)設計📱思想爲:首先(xian)選定一個理想的(de)選頻濾波器,然後(hou)截取它的脈沖響(xiǎng)應💃得到線性相位(wèi)和因果的FIR濾波器(qì)。因此👅,這種方法的(de)重點是✍️選擇-一個(ge)合适的窗函數和(he)理想🏃🏻♂️濾波器。一個(gè)理想低通濾⚽波器(qì)的頻率㊙️響應爲:
其(qi)中,;wc是濾波器的截(jie)止頻率,a爲采樣延(yan)遲這個濾波器的(de)脈沖響應具有無(wu)限持續時間,它由(yóu)下式給定:
注意,hc(n)關(guān)于a對稱,這一點對(dui)于線性相位濾波(bo)器是有用的✨。
爲了(le)從hd(n)得到一個FIR濾波(bo)器,必須同時在兩(liang)邊截取hd(n)。而要得到(dao)-一個因果的線性(xìng)相位濾波器,且它(tā)h(n)的長.度爲M,這種操(cao)作叫做“加窗”,則h(n)可(kě)以看作是hd(n)與窗函(han)數w(n)的乘積:根據w(n)的(de)不⛱️同定義，可以得(de)到各種不同的窗(chuang)結構，包括矩形窗(chuāng)、三角⁉️型窗、漢甯窗(chuāng)、海明窗、布萊克曼(màn)✂️窗等,這裏采❤️用的(de)是海明窗進行FIR數(shù)字濾波器的設🔅計(ji)。海明窗這種⭕窗函(hán)數是漢甯窗的一(yī)種變形,它的形狀(zhuàng)也相似于一個餘(yu)弦曲線。可定✌️義爲(wèi):
窗函數設計FIR濾波(bō)器的步驟:
1)根據技(ji)術要求确定待求(qiu)濾波器的單位取(qu)樣hd(n)。如果給🐉出待求(qiu)🏃濾波器的頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那麽單位取(qǔ)樣響應用⛱️下式求(qiú)出:
2)據對過渡帶及(jí)阻帶衰減的要求(qiú),選擇窗函數的形(xíng)式，并估計窗😍口長(zhǎng)度n。
3)計算濾波器的(de)單位取樣響應h(n)。
4)驗(yàn)算技術指标是否(fou)滿足要求。設計出(chū)的濾波器頻率響(xiǎng)應用下式計算:
計(ji)算上式時可以用(yòng)FFT算法。如果H(ejw)不滿足(zú)要求,根據具體情(qíng)況重複2,3,4步,直到滿(mǎn)足要求。
流速信号(hao)中存在大量的噪(zào)音幹擾信号,由管(guǎn)道振動、外界㊙️振動(dòng)❤️引起的幹擾信号(hao),還有50Hz交流電的幹(gàn)擾信号,真正的現(xiàn)場存在的幹擾要(yào)比這些強得多,也(yě)就是使用捕捉數(shu)字脈沖的檢測方(fang)式不能檢測出低(di)流速下💘的信号,這(zhè)些信号都對流速(su)的測量,特别是低(dī)流速的🤞測量産生(sheng)很🏃🏻♂️壞的影響。所以(yi)必須對原始信号(hào)進行📐處💞理。從數字(zì)濾波前後的流速(sù)信号波形對比可(kě)以看出，濾波後的(de)波形要平滑的多(duo),也就是🍓将大部分(fen)的噪音💔信号去除(chu)了,這樣就可以方(fang)便進行計算，得出(chū)流速值。從數字濾(lǜ)波後的波形圖可(kě)🌏以看出,IIR濾波和FIR濾(lǜ)波都能夠達到不(bú)錯的效果，都可👣以(yǐ)完成流速信号的(de)檢測,可以根據它(ta)們的适用場合和(he)适用條件不同,決(jue)定選用具體的濾(lǜ)波方法，達到檢測(cè)流速信号的效果(guo)。
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