摘要(yào):傳統渦街(jiē)流量計
由(you)于抗幹擾(rao)性差、測量(liang)精度低等(děng)難以滿足(zú)實際測量(liang)的需求,開(kai)發抗擾型(xing)高渦街流(liu)量計已成(chéng)爲當前流(liu)量測量領(lǐng)域的重要(yào)發展方向(xiàng)。針對現有(yǒu)産品存在(zài)的問題,設(shè)計⁉️了一種(zhǒng)嵌入式渦(wo)街流量計(jì),給出了💃硬(ying)件組成結(jié)構和相關(guān)電路原理(li)圖;并在信(xin)号處理算(suàn)法上,采用(yòng)Chirp-Z變換的頻(pín)譜校正方(fāng)法,對經FFT變(biàn)換後的🈚渦(wo)街信号的(de)頻譜主瓣(bàn)進行局部(bu)細化,從而(er)在🤞運算量(liàng)增加不多(duō)的情況下(xià),提高了渦(wō)街流量計(ji)的測量精(jing)度。并通過(guò)Matlab仿真實驗(yan)對該頻譜(pǔ)校正💯方法(fa)進行有✉️效(xiao)性驗證。仿(páng)真結果表(biǎo)明:該方法(fa)具有校正(zhèng)精🔅度高,響(xiang)應速度快(kuai)和使📐用靈(ling)活的特點(dian)。
0引言
渦街(jie)流量計廣(guang)泛應用于(yú)過程測量(liàng)和控制儀(yí)表中🔞。但在(zài)測量⭐現場(chang),由于各種(zhǒng)機械振動(dòng)和流場的(de)不穩定,使(shǐ)得渦街信(xin)🥰号中.摻雜(za)了各種噪(zào)聲和幹擾(rǎo),不能有效(xiào)提取準确(que)的渦街頻(pín)率信号,影(ying)響了流量(liang)計的測量(liang)精度。随着(zhe)單片機和(he)DSP發展👌,國内(nei)外專家相(xiàng)繼提出采(cǎi)用各種數(shu)字信号處(chu)理的有關(guan)算法來處(chu)理渦🔆街信(xìn)号,其中FFT因(yin)其方法直(zhí)觀,易于編(bian)程實現而(er)被廣泛應(yīng)用,但由于(yú)FFT的栅欄效(xiao)應，使得直(zhí)接采用FFT變(bian)換所獲得(de)的頻譜具(jù)有固🤞定的(de)采樣間距(jù)△f(△f=Fs/N,爲💞系統分(fèn)辨率⁉️),從而(ér)産生最大(da)爲0.5Fs/N的頻率(lü)測量🌈誤差(chà)。爲了提高(gāo)系統分辨(biàn)率，在相同(tóng)的采樣點(diǎn)數下，就必(bi)須減小采(cai)樣頻✏️率,而(er)采樣頻率(lǜ)又受到香(xiāng)農采樣定(dìng)理的約束(shu);若不改變(bian)采樣頻率(lü),隻能增加(jiā)采樣點數(shù)N,又會增加(jia)數據的存(cún)儲量⛹🏻♀️和計(ji)算量,降低(dī)了系統的(de)實時性。可(kě)見,單純用(yong)FFT很難進一(yi)🌂步提高測(ce)量精度,隻(zhi)有對FFT的結(jié)果進🚩行一(yī)定的改進(jin)和校正,才(cái)能提取更(gèng)精🏃🏻♂️确的頻(pin)率、幅值和(hé)🥰相位信息(xi)。爲此設計(ji)一種嵌人(ren)式渦🏃街流(liú)量計,在算(suan)法上利用(yòng)Z平面上的(de)一段螺旋(xuan)線做等間(jiān)隔采樣的(de)Z變換,在局(jú)部頻段内(nei)進行頻譜(pǔ)🌏細化,以達(da)到進一步(bu)提高測量(liang)精度的目(mù)的。
1渦街流(liú)計工作原(yuán)理與系統(tong)組成
1.1渦街(jiē)流量h計工(gong)作原理
渦(wō)街流量計(ji)是基于卡(kǎ)門渦街原(yuán)理制成的(de)一種流體(ti)振蕩㊙️性流(liu)㊙️量計，即在(zai)流動的流(liu)體中放置(zhi)一個非流(liú)線型的對(dui)稱形狀的(de)物體{渦街(jie)流量傳感(gan)器中稱✍️之(zhī)爲漩渦發(fā)生體)，就會(hui)在其下🍉流(liu)兩側産生(shēng)2列有規🛀律(lǜ)的漩渦即(jí)卡門渦街(jie),其漩渦頻(pín)率正比于(yu)來流速度(dù):
F=Stʋ/D
式中:F爲單(dan)列漩渦頻(pin)率,Hz;D爲漩渦(wo)發生體寬(kuan)度,m;ʋ爲漩渦(wō)發生體兩(liǎng)側平均流(liu)速,m/s;St爲特勞(lao)哈爾數,無(wu)量綱,St的值(zhi)🏃🏻與漩㊙️渦發(fā)生體寬度(du)🈚D和雷諾數(shu)Re有關。
1.2硬件(jiàn)系統組成(chéng)結構
根據(ju)渦街流量(liang)計的特點(diǎn)和數字信(xìn)号處理的(de)運算要求(qiú),選擇‼️了dsPIC30F6012單(dān)片機作爲(wei)核心部件(jiàn),它是一種(zhong)16位微處理(lǐ)♻️器。其内部(bu)集成有1個(ge)16位CPU和1個DSP内(nei)核,當内部(bù)時鍾頻率(lǜ)爲最高120MHz時(shí)⚽,進行1次✍️16bitx16bit運(yùn)算爲8.3ns等特(tè)點。系統組(zu)成主要包(bāo)括:檢測電(dian)路、放大電(dian)路、顯🏃♂️示電(diàn)路、通👈信接(jie)口電路等(děng),其系統組(zǔ)成框圖如(ru)圖1所示。渦(wo)街傳感器(qi)采集流量(liàng)信号,壓🐅力(li)、溫度傳感(gan)器采集流(liu)體溫度、壓(yā)力信✉️号對(duì)流量信号(hào)加以實時(shi)補償和修(xiu)正。
1.3前置放(fàng)大器電路(lù)設計
前置(zhi)放大器由(yóu)電荷/電壓(ya)轉換器、電(dian)壓放大器(qì)、低通濾波(bo)㊙️器組成✌️。采(cai)用雙端輸(shu)人的電荷(hé)/電壓轉換(huàn)器,它把探(tan)頭壓電晶(jīng)體輸🐪出的(de)交變電荷(hé)信号變換(huan)成與電荷(he)量成正比(bi)的電壓信(xin)号。電壓放(fàng)大器則利(lì)用同相輸(shū)人的放大(dà)器來得到(dao)幅度适當(dāng)的電壓信(xin)号。設置低(di)通濾波器(qì)的作用是(shi)🌈爲了消除(chu)渦街信号(hao)中夾帶的(de)複雜噪聲(shēng)。前置放大(dà)器具體實(shi)現電路如(ru)圖2所示。
2系(xì)統的軟件(jiàn)設計
2.1渦街(jie)流量計信(xìn)号采集和(hé)處理算法(fa)
N點FFT計算的(de)頻譜實際(jì)上是Z平面(mian)單位圓上(shang)的N點等間(jian)❌隔采樣,Chirp-Z變(bian)換(即CZT)是Z平(ping)面螺旋線(xiàn)周線上Z變(biàn)換的等間(jiān)隔取🌏樣,這(zhe)些取樣在(zai)螺旋線的(de)某--部分上(shàng)按等角度(dù)分布。具⭐體(tǐ)地說,令x(n)表(biao)示N點序列(lie),X(z)表示其🔴Z變(biàn)換,而利用(yòng)CZT算法,可以(yi)計算給定(dìng)點z的X(z),N點x(n)的(de)Chirp-Z變換爲:
這(zhe)裏ƒ(n)和h(n)的離(li)散卷積可(ke)以用ƒ(n)和h(n)的(de)适當段的(de)圓周卷積(jī)來實現，而(ér)圓周卷積(jī)可用FFT的方(fāng)法求得。式(shi)(3)的計算流(liú)程可用圖(tu)3所示的線(xian)性系統來(lái)表示:
2.2處理(li)算法實現(xian)步驟
CZT變化(hua)的具體步(bu)驟如下:
(1)給(gěi)定采樣數(shu)據x(n),信号長(zhǎng)度N,信号的(de)采樣頻率(lü)Fs;
(2)對x(n)先做FFT變(bian)換,确定頻(pin)譜的頻段(duàn);
(3)确定待分(fen)析頻段的(de)起始頻率(lü)ƒb,頻寬ƒw,取樣(yang)點數M以.及(jí)要達到的(de)🔴頻率分辨(biàn)力△ƒ,後3個參(cān)數滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設(she)A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分析變(biàn)換結果,包(bāo)括譜峰位(wei)置，大小和(hé)相位等。
3系(xi)統仿真實(shí)驗
3.1渦街信(xìn)号模型的(de)建立
理論(lùn)上渦街流(liu)量計的輸(shū)出爲正弦(xian)波,而實際(ji)的輸出信(xìn)号中往⭐往(wǎng)含有各種(zhong)不同的噪(zao)聲和幹擾(rao)成分,但在(zài)信号不被(bèi)幹擾淹沒(méi)的情況下(xià),其主要能(neng)量仍集中(zhong)在有用的(de)渦街頻率(lü)點上。因此(cǐ),根據渦街(jiē)流量計檢(jian)測信号的(de)特點和噪(zào)聲分🐆析建(jian)立具🧡有以(yǐ)下形式的(de)渦街信号(hao)模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
式中(zhong):ƒ1爲信号頻(pín)率;ƒ2爲周期(qi)性噪聲頻(pin)率;A1<A2;randn(size(t))爲高斯(sī)白噪🔞聲。
對(dui)于某一固(gu)定口徑的(de)流量計,其(qí)量程比一(yī)般爲1:10,以🌈DN50爲(wei)例，其氣體(tǐ)和液體的(de)頻率測量(liàng)範圍分别(bie)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由(yóu)某儀表🌈廠(chang)提供)，而包(bao)含于.渦街(jiē)信号的周(zhou)期性噪聲(sheng)主要🥵的出(chu)現在40Hz、50Hz至幾(jǐ)百Hz的頻🧡帶(dài)内文😄中的(de)仿真實驗(yan)以檢測氣(qì)體流量的(de)頻率爲例(lì)。
3.2仿真實驗(yàn)結果
仿真(zhēn)實驗參數(shù)設定如下(xia):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧(xié)波幹擾頻(pin)率。仿真💛實(shí)驗内🥰容分(fen)别爲利用(yòng)FFT和CZT變換兩(liang)種方法來(lái)提取渦街(jie)👄信号💔的主(zhǔ)💋頻。按照建(jian)立的渦街(jiē)信号模型(xing),取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則⛹🏻♀️渦街(jie)信号在時(shi)域上的波(bo)形如圖4所(suo)示。從圖中(zhōng)可以看出(chu),信号中混(hun)疊着各種(zhǒng)噪聲和幹(gan)擾,且渦街(jie)信号頻率(lü)越低，噪聲(sheng)幹擾越明(míng)顯。
對渦街(jie)信号做FFT變(biàn)換,并在Matlab環(huán)境下進行(háng)仿真,得到(dào)圖5所示的(de)頻譜圖,圖(tu)中譜峰值(zhi)最大的即(ji)爲渦街信(xìn)号的頻率(lǜ)值,将圖5局(ju)部放大得(dé)到圖6。從圖(tú)6中可以看(kàn)出:渦街信(xin)号的頻率(lǜ)大概在368Hz附(fù)近。
在FFT變換(huàn)的基礎上(shàng),先确定頻(pín)譜中主瓣(ban)的位置(仿(pang)真實驗中(zhōng)🐉取最大值(zhí)和次最大(dà)值之間作(zuo)爲局部放(fàng)大的主瓣(bàn)位置),然⭕後(hou)在✍️此區間(jiān)進行CZT變換(huan),仿真結果(guǒ)如圖7所示(shi):
渦街信号(hao)的頻率在(zài)364.24Hz附近,誤差(chà)爲0.03Hz,與隻采(cǎi)用FFT變換的(de)結果相比(bi)💋,測量精度(du)明顯提高(gāo)。
用同樣的(de)方法,通過(guò)對待檢測(ce)的氣體流(liú)量輸出信(xìn)🔞号頻率的(de)各頻段各(gè)取2個頻率(lü)點,共8組數(shù)據,進行仿(páng)真實驗,将(jiāng)FFT方法和CZT方(fang)法進行比(bi)較,結果如(ru)表1所示。從(cóng)表1可以看(kan)出，經CZT方法(fǎ)校正後的(de)絕對誤🚶♀️差(cha)基本控制(zhi)在0.02Hz内,精度(du)大大提高(gāo)⛹🏻♀️。
5結束語
在(zai)渦街流量(liang)計中采用(yong)Chirp-Z變換的頻(pín)譜校正方(fang)法來提高(gao)的測✍️量精(jing)度,該方法(fa)的基本原(yuan)理是先進(jìn)行FFT變換,确(què)定🌈頻譜中(zhong)主瓣的位(wèi)置,然後再(zài)用Chirp-Z變換對(duì)主瓣進行(hang)局部細化(huà),從👈而降低(di)頻譜上的(de)采樣間隔(gé),達到提高(gāo)渦街流量(liàng)計的測量(liang)精度的💘目(mù)的,從仿㊙️真(zhen)實驗的結(jié)果來看,校(xiào)正後的絕(jué)對誤差基(jī)本保持在(zai)0.02Hz以内，提高(gao)了渦街流(liu)量計的測(ce)量精度,滿(mǎn)足了渦街(jie)流量計⛹🏻♀️實(shí)際測量的(de)需要🌏。
文章(zhang)來源于網(wǎng)絡,如有侵(qīn)權聯系即(ji)删除！