摘要:傳統(tong)渦街流量計
由于(yu)抗幹擾性差、測量(liang)精度低等難以滿(mǎn)足實際測量的需(xū)☔求⛷️,開💁發抗擾型高(gao)渦街流量計已成(cheng)爲當前流量測量(liàng)領域♋的重要發展(zhǎn)方向。針對現有産(chǎn)品存在的問🏃🏻題,設(shè)計了一種嵌入式(shì)💯渦街流量計,給出(chu)了💰硬件組成🈲結構(gòu)和相⚽關電路原理(lǐ)圖;并在☀️信号處理(lǐ)㊙️算法上,采用Chirp-Z變換(huàn)的頻譜校正方法(fǎ),對經FFT變換後的♉渦(wō)街信号的頻🚶♀️譜主(zhǔ)瓣進行局部細化(huà),從而在運算量增(zeng)加不多的情況下(xia),提高了渦街流量(liang)計的測量精🆚度。并(bing)通過Matlab仿真實驗對(dui)該頻譜校正方法(fǎ)進行有效性驗證(zheng)。仿真結果表明:該(gai)方法具有校正精(jing)🚩度高,響應速度快(kuai)和使用靈活的特(tè)點。
0引言
渦街流量(liang)計廣泛應用于過(guo)程測量和控制儀(yí)表中。但在測量💯現(xian)場,由于各種機械(xiè)振動和流場的不(bu)穩😄定,使得渦街信(xìn)号中.摻雜了各種(zhǒng)噪聲和幹擾,不能(néng)🔞有效提取準确的(de)渦街頻率信🚶♀️号,影(ying)響了流量計的測(cè)量精度。随着單片(pian)機和DSP發展,國内外(wai)專家相繼提❓出采(cǎi)用各種數字信号(hao)處理的有關算法(fa)來處理渦⛱️街信号(hao),其中FFT因其方法直(zhi)觀,易于編程實現(xian)而被廣泛應用,但(dàn)由于FFT的📧栅欄效應(ying)，使得直接采用FFT變(biàn)換所獲得的頻譜(pǔ)具有固🈚定的采樣(yàng)間距△f(△f=Fs/N,爲✂️系統分辨(biàn)率),從而産生最大(da)爲0.5Fs/N的頻率測量誤(wù)差。爲了提高系統(tǒng)分辨率，在相同的(de)采樣點數下，就必(bi)須減小采樣頻♊率(lü),而采樣頻率又受(shòu)到香農采樣定理(li)的約束;若不⚽改變(biàn)采樣頻率,隻能增(zeng)加☔采樣點數N,又會(huì)增加數據的存儲(chǔ)量和計算量,降低(di)了系統的實時🈚性(xing)。可見,單🐪純用FFT很難(nan)進一🤩步提高測量(liàng)精度,隻有對FFT的結(jié)果🐉進🏒行一定的改(gai)進和校正,才能提(tí)取更精确的頻率(lǜ)、幅值和相位信息(xī)。爲此設計一種嵌(qiàn)人式渦街流量計(jì),在算法上利用Z平(ping)面上的一段螺旋(xuan)線做等間隔采樣(yang)的Z變換,在局部頻(pin)段内進行頻譜細(xì)👌化,以達到進一步(bu)提高測量精度的(de)目的。
1渦街流計工(gong)作原理與系統組(zu)成
1.1渦街流量h計工(gōng)作原理
渦街流量(liàng)計是基于卡門渦(wō)街原理制成的一(yī)種流體💁振蕩性流(liu)量計，即在流動的(de)流體中放置一個(ge)非流線型的對稱(chēng)🛀形狀🎯的物體{渦街(jiē)流量傳感器中稱(chēng)之爲漩渦發生體(tǐ))，就會在其下流兩(liǎng)側産生2列有規律(lǜ)的漩渦即卡門渦(wō)街,其漩渦頻率正(zhèng)比于來流速度:
F=Stʋ/D
式(shì)中:F爲單列漩渦頻(pín)率,Hz;D爲漩渦發生體(ti)寬度,m;ʋ爲漩渦發生(shēng)體兩側平均流速(su),m/s;St爲特勞哈爾數,無(wú)量綱,St的值與漩渦(wo)發生體寬度D和雷(lei)諾數Re有關。
1.2硬件系(xi)統組成結構
根據(ju)渦街流量計的特(tè)點和數字信号處(chu)理的運算要🙇🏻求,選(xuan)擇了🌂dsPIC30F6012單片機作爲(wei)核心部件,它是一(yi)種16位微處理器。其(qi)内部集成有1個16位(wei)CPU和1個DSP内核,當内部(bù)時鍾頻率爲最高(gao)120MHz時,進行1次☀️16bitx16bit運算爲(wèi)8.3ns等特點。系統組成(cheng)主要包括:檢測電(dian)路、放大電路、顯示(shì)電路、通信接口電(dian)路等,其系統🎯組成(chéng)框圖如圖1所示。渦(wo)街傳感器采集流(liú)量信号,壓力、溫度(du)傳感器采集流體(ti)溫度、壓力信号對(duì)流量信号加☂️以實(shi)時補償和修正。
1.3前(qian)置放大器電路設(shè)計
前置放大器由(yóu)電荷/電壓轉換器(qì)、電壓放大器、低通(tōng)濾波器組成💋。采用(yòng)雙端輸人的電荷(he)/電壓轉換器,它把(bǎ)探頭壓電晶體輸(shū)🌈出的交變電荷信(xìn)号變換成與電荷(hé)量成正比的電壓(yā)信号。電壓放大器(qi)則利用同相輸人(ren)的放大器來得到(dao)幅度适當的電壓(ya)信号。設置低通濾(lǜ)波器的作用是爲(wei)了消除渦☔街信号(hào)中夾♉帶的複雜噪(zào)聲🔴。前置放大器具(ju)🛀體實現電路如🛀圖(tu)2所示。
2系統的軟件(jiàn)設計
2.1渦街流量計(jì)信号采集和處理(li)算法
N點FFT計算的頻(pín)譜實際上是Z平面(mian)單位圓上的N點等(deng)間隔📱采樣,Chirp-Z變換(即(ji)CZT)是Z平面螺旋線周(zhōu)線上Z變換的等間(jian)隔取樣,這些取樣(yang)在螺旋線的某--部(bu)分上按等角度分(fèn)布。具體地說,令x(n)表(biao)示🐉N點序列,X(z)表示其(qi)Z變換,而利用CZT算法(fǎ),可以計算給定點(diǎn)z的X(z),N點x(n)的Chirp-Z變換爲:
這(zhe)裏ƒ(n)和h(n)的離散卷積(jī)可以用ƒ(n)和h(n)的适當(dāng)段的圓周卷積來(lai)實現，而圓周卷積(ji)可用FFT的方法求得(dé)。式(3)的計算流程可(kě)用圖3所示的線性(xìng)系統來表示:
2.2處理(li)算法實現步驟
CZT變(bian)化的具體步驟如(ru)下:
(1)給定采樣數據(ju)x(n),信号長度N,信号的(de)采樣頻率Fs;
(2)對x(n)先做(zuò)FFT變換,确定頻譜的(de)頻段;
(3)确定待分析(xi)頻段的起始頻率(lǜ)ƒb,頻寬ƒw,取樣點數M以(yi).及🤩要達到的頻⭕率(lü)分辨力△ƒ,後3個參數(shu)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分析變(biàn)換結果,包括譜峰(fēng)位置，大小和相位(wei)等。
3系統仿真實驗(yan)
3.1渦街信号模型的(de)建立
理論上渦街(jie)流量計的輸出爲(wèi)正弦波,而實際的(de)輸出🔴信号中往往(wang)含有各種不同的(de)噪聲和幹擾成分(fen),但在信号👈不被幹(gan)擾淹沒的情況下(xià),其主要能量仍集(ji)中在有用的渦街(jiē)頻率點上。因此,根(gēn)據渦街流量計檢(jiǎn)測信✔️号的特點和(hé)噪聲分析建立具(ju)有以下形🐉式的渦(wō)街信号模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
式中(zhōng):ƒ1爲信号頻率;ƒ2爲周(zhou)期性噪聲頻率;A1<A2;randn(size(t))爲(wei)高斯白噪🈲聲💁。
對于(yu)某一固定口徑的(de)流量計,其量程比(bǐ)一般爲1:10,以DN50爲例☔，其(qí)氣體和液體的頻(pin)率測量範圍分别(bié)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由某儀表(biao)廠提供)，而包含于(yú).渦街信号的周期(qī)性噪聲主要的出(chu)現在40Hz、50Hz至幾百Hz的頻(pin)帶内文中的仿真(zhen)實驗以檢測🛀氣體(tǐ)流量的頻率爲例(li)。
3.2仿真實驗結果
仿(páng)真實驗參數設定(ding)如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波(bo)幹擾頻率。仿真🌈實(shi)驗内🛀容分别爲利(li)用FFT和CZT變換兩種方(fang)法來提取渦街🐉信(xin)号的主👨❤️👨頻。按照建(jian)立的渦街信号模(mo)型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信号(hào)在時域上的📧波形(xing)如圖4所示。從圖中(zhong)可以😄看出,信号中(zhong)混疊着各種噪聲(shēng)和幹擾,且渦街信(xìn)号頻率越低，噪聲(sheng)幹擾越明顯。
對渦(wō)街信号做FFT變換,并(bing)在Matlab環境下進行仿(páng)真,得到圖5所示的(de)頻譜圖,圖中譜峰(feng)值最大的即爲渦(wō)街信号的頻率值(zhí),将圖5局部放大得(dé)到圖6。從圖6中可以(yi)看出:渦街信号的(de)頻率大概💯在368Hz附近(jìn)❗。
在FFT變換的基礎上(shang),先确定頻譜中主(zhǔ)瓣的位置(仿真實(shi)驗中✉️取最大值和(he)次最大值之間作(zuo)爲局部放大🤟的主(zhǔ)瓣位✂️置),然後在此(cǐ)區👨❤️👨間進行CZT變換,仿(pang)真結果如🌍圖7所示(shì):
渦街信号的頻率(lǜ)在364.24Hz附近,誤差爲0.03Hz,與(yu)隻采用FFT變換的結(jie)果相比,測量精度(du)明顯提高。
用同樣(yang)的方法,通過對待(dai)檢測的氣體流量(liang)輸出信号頻率的(de)各頻段各取2個頻(pín)率點,共8組數據,進(jìn)行仿真實驗,将😘FFT方(fang)法和CZT方🔞法進行比(bǐ)較,結果如表1所示(shì)。從表1可以看出，經(jing)CZT方法校正後的絕(jué)對誤差基本控制(zhì)在0.02Hz内,精度大大提(ti)高。
5結束語
在渦街(jie)流量計中采用Chirp-Z變(bian)換的頻譜校正方(fāng)法來提高的測量(liang)精度,該方法的基(jī)本原理是先進行(háng)FFT變換,确定頻譜中(zhōng)主瓣的位置,然後(hou)再用Chirp-Z變換對主瓣(bàn)進行局部細化,從(cóng)而降低☔頻譜上的(de)采樣間隔,達到提(ti)高渦街流量計的(de)測量精度的目的(de),從仿真實驗的🌍結(jié)果來看,校正後的(de)絕對誤差基本保(bǎo)持在0.02Hz以内，提⛱️高了(le)渦街流🌈量計的測(cè)量精度,滿足了渦(wo)街流量計實際測(ce)量的需要。
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