摘要:介紹了(le)渦街流量計(ji)
原理,研究了(le)渦街信号處(chu)理方法,設計(jì)了IIR和FIR數字濾(lǜ)波器,并🧑🏽🤝🧑🏻用圖(tu)形化編程軟(ruǎn)件Lab-VIEW進行仿真(zhēn)實驗,觀察了(le)數字🈲濾波器(qì)在渦街信号(hao)🔞處理中的效(xiao)果。
1渦街流置(zhì)計
流量計量(liang)是計量科學(xué)技術的組成(cheng)部分之一,它(tā)與國民經.濟(jì)、國防建設、科(kē)學研究有着(zhe)密切的關系(xì),随着我國工(gōng)農業☁️的發展(zhan),對流體流量(liang)的計量提出(chū)了越來越🌐多(duo)、越來越高的(de)要求,特别是(shì)在注重節省(sheng)能源、提高經(jing)濟效益和産(chan)品質量的今(jīn)天，流量計量(liang)與✊測試的重(zhong)要性就更加(jia)突出了,并且(qiě)爲👉越來越多(duō)的人所認識(shi)。在氣體、液體(tǐ)、蒸汽的流量(liang)測量中，渦街(jiē)流量計具有(you)精度高量程(chéng)比👉較寬、線性(xìng)度較好、壓力(li)損失小、性能(néng)可靠、測量元(yuan)件結構簡單(dan)、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護方(fāng)便、适用各種(zhong)介質等一系(xi)列的優點,在(zai)計😘量檢測中(zhong)發揮越來越(yuè)大的作用，有(yǒu)着廣泛的應(ying)用前景。
2渦街(jiē)信号研究
理(lǐ)想情況下,渦(wo)街流量傳感(gǎn)器的輸出信(xìn)号應該是正(zheng)弦波，其頻🧑🏽🤝🧑🏻率(lǜ)與流體的流(liú)速成正比。然(rán)而,工業現場(chang)的噪聲是普(pǔ)遍存在的💚,這(zhe)些噪聲信号(hao)包括管道♻️内(nei)流動介質的(de)湍流、脈動、流(liú)場的不穩定(dìng)及不均勻性(xing)對渦街發生(shēng)體施加不規(guī)則的附加作(zuo)用力而産💘生(shēng)的流體流📐動(dong)噪聲。當規則(zé)渦街産生後(hou),在工作信号(hào)上會叠加一(yī)種1/5到1/10渦街頻(pín)率的流體低(dī)頻擺動噪🏒聲(shēng),或輸送流體(tǐ)的📱管道偶爾(er)受到外力撞(zhuàng)擊,會産生随(sui)機振動噪聲(shēng);以及各種.動(dòng)力源,如水泵(beng)、壓縮機等的(de)振動由管道(dào)傳遞到傳感(gǎn)器💯上,造成渦(wo)街發生體上(shàng)産生附加的(de)慣性應力,形(xing)成的振動噪(zao)聲。因此，實際(jì)的渦街傳感(gǎn)器的輸出信(xin)号遠非理想(xiang)的正弦波信(xin)号,而是一個(ge)混有強噪🛀聲(shēng)的💃混㊙️合信号(hao),它是由兩部(bù)分信号組成(cheng):一是流速産(chǎn)生的渦街信(xin)号S(t),二是幹擾(rao)引起的噪聲(sheng)信号N(t),即實際(jì)的渦街信号(hào)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪聲信(xìn)号中又含有(you)确定性分量(liang)和随機分量(liàng)。随機分量可(ke)認爲是服從(cóng)高斯分布🌐的(de)白噪聲信号(hào),而确定性分(fen)量是由流體(ti)低頻擺動或(huò)動力源振動(dong)引起,獨立于(yú)渦街信号,可(ke)由另-一個正(zhèng)弦信号來模(mo)拟。因此，渦街(jie)傳感器❌的輸(shu)出信号Y(t)可以(yǐ)用下面的式(shi)子近似表示(shi):
式中:Ao，fo,Q。分别表(biǎo)示渦街信号(hào)S(t)的幅值、頻率(lǜ)和初始相位(wei);A1，f1,Q1分别表示🌈噪(zao)❄️聲信号N(t)中諧(xié)波幹擾分量(liàng)的幅值、頻率(lǜ)和初始相🚩位(wei);d表示噪聲信(xìn)号N(t)中的高斯(sī)分布白噪聲(shēng)會疊加在渦(wō)街信号中,使(shǐ)測量結果産(chǎn)生較明顯的(de)誤差。所以,選(xuan)用适當🚶♀️的數(shu)字信号處方(fang)法去除信号(hao)中噪聲的幹(gan)擾,最大程度(du)的複現流速(su)信号,是進行(hang)渦街信号處(chù)理🔴的主要任(ren)務。
3數字濾波(bō)器的設計
用(yong)窗函數法設(she)計FIR數字濾波(bō)器就是用有(yǒu)限長的脈沖(chòng)響🌂應序♋列來(lái)逼近無限長(zhǎng)的脈沖響應(ying)序列。基本設(she)計思想✂️爲:首(shǒu)♍先選定一個(gè)理想的選頻(pin)濾波器,然後(hòu)截取它的脈(mò)沖響應得到(dao)線性相位❗和(he)因果的FIR濾☀️波(bo)器。因此,這種(zhǒng)方法的重點(dian)是🌈選擇-一個(ge)✊合适的窗⭐函(hán)數和理想濾(lǜ)波器。一個理(lǐ)想低通濾波(bo)器的頻率響(xiang)應爲:
其中,;wc是(shi)濾波器的截(jié)止頻率,a爲采(cai)樣延遲這個(ge)濾波💯器的脈(mò)沖🥵響應具有(you)無限持續時(shi)間,它由下式(shi)給定:
注意,hc(n)關(guan)于a對稱,這一(yī)點對于線性(xing)相位濾波器(qi)是有❓用的。
爲(wei)了從hd(n)得到一(yī)個FIR濾波器,必(bì)須同時在兩(liǎng)邊截取hd(n)。而要(yao)❄️得⭐到-一個因(yīn)果的線性相(xiang)位濾波器,且(qie)它h(n)的長.度爲(wèi)M,這種操作叫(jiao)做“加窗”,則h(n)可(kě)以看作是hd(n)與(yu)窗函數w(n)的乘(cheng)積:根據w(n)的不(bu)同定義，可以(yi)得到各種㊙️不(bu)同的窗結👄構(gou)，包括矩🈲形窗(chuang)、三角型窗、漢(han)甯窗、海明窗(chuāng)、布萊克曼窗(chuāng)等,這裏采用(yong)的是海明🙇🏻窗(chuang)進行FIR數字濾(lü)波器的設⛷️計(jì)。海明窗這種(zhong)⛹🏻♀️窗函數是漢(hàn)甯窗的一種(zhong)變形,它的🚶形(xing)狀也相似于(yu)一個餘弦🔆曲(qu)線。可定義爲(wèi):
窗函數設計(ji)FIR濾波器的步(bù)驟:
1)根據技術(shù)要求确定待(dai)求濾波器的(de)單位取樣hd(n)。如(ru)果給🚩出✍️待求(qiu)濾💰波器的頻(pin)率響應爲Hd(ejw),那(na)麽單位取樣(yàng)響應用下式(shì)求出:
2)據對過(guò)渡帶及阻帶(dai)衰減的要求(qiu),選擇窗函數(shù)的形♌式，并估(gū)計窗口長度(du)n。
3)計算濾波器(qi)的單位取樣(yang)響應h(n)。
4)驗算技(jì)術指标是否(fǒu)滿足要求。設(she)計出的濾波(bo)器頻率響應(yīng)用下⁉️式計算(suàn):
計算上式時(shi)可以用FFT算法(fa)。如果H(ejw)不滿足(zu)要求,根據具(jù)體💜情況重複(fu)2,3,4步,直到滿足(zu)要求。
流速信(xìn)号中存在大(da)量的噪音幹(gan)擾信号,由管(guǎn)道振動、外界(jiè)🈲振動引起的(de)幹擾信号,還(hai)有50Hz交流電的(de)幹擾信号,真(zhēn)正的現場存(cún)在的幹擾要(yào)比這些強得(de)多,也就是使(shi)✂️用捕捉🚶數字(zi)脈沖的檢測(ce)方式⁉️不能檢(jian)測出低流速(sù)下㊙️的信号,這(zhè)些信号都🧡對(dui)流速的測量(liàng),特别是低流(liú)速的測量産(chǎn)生很壞的影(ying)響。所以必須(xu)對原㊙️始信号(hao)進行處理。從(cong)數字濾波前(qian)後的流速信(xìn)号波形對比(bi)可以看出，濾(lǜ)波後的波形(xing)要平滑的多(duo),也就是将大(dà)部分的噪音(yīn)⁉️信号去除了(le),這樣就可以(yǐ)方便進行計(ji)算，得出流速(sù)值✉️。從數字濾(lǜ)波後的波形(xing)圖可♍以看出(chu),IIR濾波和FIR濾波(bo)都能夠達到(dào)不錯的效果(guo)，都可🐕以完成(cheng)流速信号的(de)檢測🔴,可🏒以根(gen)據它們的适(shì)用場合和适(shi)用條件不同(tóng),決定選用🔞具(ju)體的濾波方(fāng)法，達到檢測(ce)流速信号的(de)效果。
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