摘(zhai)要:傳(chuan)統渦(wo)街流(liu)量計(ji) 由于(yu)抗幹(gan)擾性(xing)差、測(ce)量精(jing)度低(di)等難(nan)以滿(man)足實(shi)際測(ce)量的(de)需求(qiu),開發(fa)抗擾(rao)型高(gao)渦街(jie)流量(liang)計已(yi)成爲(wei)當前(qian)流量(liang)測量(liang)🏃🏻‍♂️領域(yu)的重(zhong)要發(fa)展方(fang)向。針(zhen)對現(xian)有産(chan)品存(cun)在的(de)問題(ti),設計(ji)了一(yi)種嵌(qian)入式(shi)渦街(jie)流量(liang)計,給(gei)出了(le)硬件(jian)組成(cheng)🔴結構(gou)和相(xiang)關電(dian)路原(yuan)理圖(tu);并在(zai)信号(hao)處理(li)🙇‍♀️算法(fa)上,采(cai)用Chirp-Z變(bian)換的(de)頻譜(pu)🥰校正(zheng)方法(fa),對經(jing)FFT變換(huan)後的(de)‼️渦街(jie)信号(hao)的頻(pin)譜主(zhu)瓣進(jin)行局(ju)部細(xi)化,從(cong)而在(zai)運算(suan)量增(zeng)加不(bu)多的(de)情況(kuang)下,提(ti)高了(le)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)精🐪度(du)。并通(tong)過Matlab仿(pang)真實(shi)驗對(dui)該頻(pin)譜校(xiao)正方(fang)♍法進(jin)行有(you)效性(xing)驗證(zheng)。仿真(zhen)結果(guo)表✏️明(ming):該方(fang)法具(ju)有校(xiao)正精(jing)度高(gao),響應(ying)速度(du)快和(he)使用(yong)靈活(huo)的特(te)點。
0引(yin)言
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)廣泛(fan)應用(yong)于過(guo)程測(ce)量和(he)控制(zhi)儀表(biao)中🛀🏻。但(dan)在測(ce)💛量現(xian)場,由(you)于各(ge)種機(ji)械振(zhen)動和(he)流場(chang)的不(bu)穩定(ding),使得(de)渦街(jie)信号(hao)中.摻(chan)雜了(le)各種(zhong)噪聲(sheng)和幹(gan)擾,不(bu)能有(you)效提(ti)取準(zhun)确的(de)渦街(jie)頻率(lü)信🐕号(hao),影響(xiang)了流(liu)量計(ji)的💜測(ce)量精(jing)度😍。随(sui)着單(dan)片機(ji)和DSP發(fa)展,國(guo)内外(wai)專家(jia)相繼(ji)提出(chu)采用(yong)各種(zhong)數字(zi)信号(hao)處理(li)的有(you)關算(suan)法來(lai)處理(li)渦街(jie)信号(hao),其中(zhong)FFT因其(qi)方法(fa)直觀(guan),易于(yu)編程(cheng)實現(xian)而被(bei)廣泛(fan)應用(yong),但由(you)于FFT的(de)栅欄(lan)效應(ying)，使得(de)直接(jie)采用(yong)FFT變換(huan)所獲(huo)得的(de)頻譜(pu)具有(you)固🐉定(ding)的采(cai)樣間(jian)距△f(△f=Fs/N,爲(wei)系統(tong)分辨(bian)率),從(cong)而産(chan)生最(zui)大爲(wei)0.5Fs/N的頻(pin)率測(ce)量💃🏻誤(wu)差。爲(wei)了提(ti)高系(xi)統㊙️分(fen)辨率(lü)，在相(xiang)同的(de)采樣(yang)點數(shu)下，就(jiu)必須(xu)減小(xiao)采樣(yang)頻率(lü),而采(cai)樣頻(pin)🏃‍♂️率又(you)受到(dao)香農(nong)采樣(yang)定理(li)的約(yue)束;若(ruo)不㊙️改(gai)變采(cai)樣頻(pin)率,隻(zhi)能增(zeng)加采(cai)樣點(dian)數N,又(you)會增(zeng)加數(shu)據的(de)存儲(chu)量🈲和(he)計算(suan)量,降(jiang)低了(le)系統(tong)的實(shi)時性(xing)。可見(jian),單純(chun)用FFT很(hen)難進(jin)一步(bu)提❗高(gao)測量(liang)精度(du),隻有(you)對FFT的(de)結果(guo)🈚進行(hang)一定(ding)的改(gai)進和(he)校正(zheng),才能(neng)提🚶‍♀️取(qu)更精(jing)确的(de)頻率(lü)、幅值(zhi)和相(xiang)位信(xin)息。爲(wei)此設(she)計一(yi)種嵌(qian)人式(shi)渦街(jie)流量(liang)計,在(zai)算法(fa)上利(li)👨‍❤️‍👨用Z平(ping)面上(shang)的一(yi)段螺(luo)旋線(xian)做等(deng)間隔(ge)采⛱️樣(yang)的Z變(bian)換,在(zai)局部(bu)頻段(duan)内進(jin)行頻(pin)譜細(xi)🏃🏻‍♂️化,以(yi)達到(dao)進一(yi)步提(ti)高🔞測(ce)量精(jing)度的(de)目的(de)。
1渦街(jie)流計(ji)工作(zuo)原理(li)與系(xi)統組(zu)成
1.1渦(wo)街流(liu)量h計(ji)工作(zuo)原理(li)
　　渦街(jie)流量(liang)計是(shi)基于(yu)卡門(men)渦街(jie)原理(li)制成(cheng)的一(yi)種流(liu)🏃‍♀️體振(zhen)蕩性(xing)流量(liang)計，即(ji)在流(liu)動的(de)流體(ti)中放(fang)置一(yi)個非(fei)流線(xian)型的(de)對稱(cheng)形狀(zhuang)的物(wu)體{渦(wo)街流(liu)量傳(chuan)感器(qi)中稱(cheng)🐆之爲(wei)漩渦(wo)發生(sheng)體)，就(jiu)會在(zai)其下(xia)流兩(liang)側産(chan)生2列(lie)有規(gui)律的(de)漩渦(wo)即卡(ka)門渦(wo)🧡街,其(qi)漩渦(wo)頻率(lü)正比(bi)于來(lai)流速(su)度:
F=Stʋ/D
　　式(shi)中:F爲(wei)單列(lie)漩渦(wo)頻率(lü),Hz;D爲漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)寬度(du),m;ʋ爲漩(xuan)渦♈發(fa)生體(ti)兩側(ce)平均(jun)流速(su),m/s;St爲特(te)勞哈(ha)爾數(shu),無量(liang)綱,St的(de)值與(yu)漩渦(wo)發生(sheng)體🛀寬(kuan)度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼D和(he)雷諾(nuo)數Re有(you)關。
1.2硬(ying)件系(xi)統組(zu)成結(jie)構
　　根(gen)據渦(wo)街流(liu)量計(ji)的特(te)點和(he)數字(zi)信号(hao)處理(li)的運(yun)算要(yao)求,選(xuan)♌擇🌈了(le)dsPIC30F6012單片(pian)機作(zuo)爲核(he)心部(bu)件,它(ta)是一(yi)種16位(wei)微💃處(chu)理器(qi)。其内(nei)部集(ji)成💰有(you)1個🤩16位(wei)CPU和1個(ge)DSP内核(he),當内(nei)部時(shi)鍾頻(pin)率爲(wei)最高(gao)120MHz時,進(jin)行1次(ci)16bitx16bit運算(suan)爲8.3ns等(deng)特點(dian)。系統(tong)組成(cheng)主⭐要(yao)包括(kuo):檢💋測(ce)電路(lu)、放大(da)電路(lu)、顯示(shi)電路(lu)、通信(xin)接口(kou)電路(lu)等,其(qi)系統(tong)組成(cheng)框圖(tu)如圖(tu)1所示(shi)。渦街(jie)💰傳感(gan)器采(cai)集流(liu)量信(xin)号,壓(ya)力、溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)采集(ji)流體(ti)溫度(du)、壓力(li)信♍号(hao)對流(liu)量信(xin)号加(jia)以實(shi)時補(bu)償和(he)修正(zheng)。
 
1.3前置(zhi)放大(da)器電(dian)路設(she)計
　　前(qian)置放(fang)大器(qi)由電(dian)荷/電(dian)壓轉(zhuan)換器(qi)、電壓(ya)放大(da)器、低(di)通濾(lü)✏️波器(qi)組成(cheng)⭐。采用(yong)雙端(duan)輸人(ren)的電(dian)荷/電(dian)壓轉(zhuan)換器(qi),它把(ba)探📞頭(tou)壓電(dian)晶體(ti)輸出(chu)的交(jiao)變電(dian)荷信(xin)号變(bian)換成(cheng)與電(dian)荷量(liang)👄成正(zheng)比📱的(de)電壓(ya)信号(hao)。電壓(ya)放大(da)器則(ze)利用(yong)同相(xiang)輸人(ren)的放(fang)大器(qi)來得(de)到幅(fu)度适(shi)當的(de)電☔壓(ya)信号(hao)。設置(zhi)低通(tong)濾波(bo)器的(de)作用(yong)是爲(wei)了消(xiao)除渦(wo)✉️街信(xin)号中(zhong)夾帶(dai)的複(fu)雜噪(zao)☔聲📞。前(qian)置放(fang)大器(qi)具體(ti)實現(xian)電路(lu)如🌏圖(tu)2所示(shi)。
 
2系統(tong)的軟(ruan)件設(she)計
2.1渦(wo)街流(liu)量計(ji)信号(hao)采集(ji)和處(chu)理算(suan)法
　　N點(dian)FFT計算(suan)的頻(pin)譜實(shi)際上(shang)是Z平(ping)面單(dan)位圓(yuan)上的(de)N點等(deng)間隔(ge)⁉️采🤞樣(yang),Chirp-Z變🏒換(huan)(即CZT)是(shi)Z平面(mian)螺旋(xuan)線周(zhou)線上(shang)Z變換(huan)的等(deng)間隔(ge)取✉️樣(yang),這些(xie)取樣(yang)在螺(luo)旋線(xian)的某(mou)--部分(fen)上按(an)等角(jiao)度😄分(fen)布。具(ju)體地(di)說,令(ling)x(n)表示(shi)N點序(xu)列,X(z)表(biao)示其(qi)Z變換(huan),而利(li)用CZT算(suan)法,可(ke)以計(ji)算給(gei)定點(dian)z的X(z),N點(dian)x(n)的Chirp-Z變(bian)換爲(wei):
 
　　這裏(li)ƒ(n)和h(n)的(de)離散(san)卷積(ji)可以(yi)用ƒ(n)和(he)h(n)的适(shi)當段(duan)的圓(yuan)周卷(juan)🥰積來(lai)實現(xian)，而❗圓(yuan)周卷(juan)積可(ke)用FFT的(de)方法(fa)求得(de)。式(3)的(de)計算(suan)✊流程(cheng)♊可用(yong)圖3所(suo)示的(de)😍線性(xing)系統(tong)來表(biao)示:
 
2.2處(chu)理算(suan)法實(shi)現步(bu)驟
CZT變(bian)化的(de)具體(ti)步驟(zhou)如下(xia):
(1)給定(ding)采樣(yang)數據(ju)x(n),信号(hao)長度(du)N,信号(hao)的采(cai)樣頻(pin)率Fs;
(2)對(dui)x(n)先做(zuo)FFT變換(huan),确定(ding)頻譜(pu)的頻(pin)段;
(3)确(que)定待(dai)分析(xi)頻段(duan)的起(qi)始頻(pin)率ƒb,頻(pin)寬ƒw,取(qu)樣點(dian)數M以(yi).及要(yao)達到(dao)的頻(pin)率分(fen)辨力(li)△ƒ,後3個(ge)參數(shu)滿足(zu)△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做(zuo)CZT;
(5)分析(xi)變換(huan)結果(guo),包括(kuo)譜峰(feng)位置(zhi)，大小(xiao)和相(xiang)位等(deng)。
3系統(tong)仿真(zhen)實驗(yan)
3.1渦街(jie)信号(hao)模型(xing)的建(jian)立
　　理(li)論上(shang)渦街(jie)流量(liang)計的(de)輸出(chu)爲正(zheng)弦波(bo),而實(shi)際的(de)輸出(chu)信号(hao)💁中往(wang)往含(han)有各(ge)種不(bu)同的(de)噪聲(sheng)和幹(gan)擾成(cheng)分,但(dan)在信(xin)号不(bu)被幹(gan)擾淹(yan)沒的(de)情況(kuang)下,其(qi)主要(yao)能量(liang)仍集(ji)中在(zai)有用(yong)的渦(wo)街頻(pin)率點(dian)上🐅。因(yin)此,根(gen)據渦(wo)街流(liu)量計(ji)檢測(ce)信号(hao)的特(te)點和(he)噪聲(sheng)分析(xi)建立(li)具有(you)以下(xia)形🙇🏻式(shi)的渦(wo)街信(xin)🔞号模(mo)型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式(shi)中:ƒ1爲(wei)信号(hao)頻率(lü);ƒ2爲周(zhou)期性(xing)噪聲(sheng)頻率(lü);A1<A2;randn(size(t))爲高(gao)斯白(bai)噪聲(sheng)。
　　對于(yu)某一(yi)固定(ding)口徑(jing)的流(liu)量計(ji),其量(liang)程比(bi)一般(ban)爲1:10,以(yi)DN50爲例(li)💚，其🈲氣(qi)體和(he)液體(ti)的頻(pin)率測(ce)量範(fan)圍分(fen)别爲(wei):76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據(ju)由某(mou)☂️儀表(biao)廠提(ti)供)，而(er)包含(han)于.渦(wo)街信(xin)号的(de)周期(qi)性噪(zao)聲主(zhu)要的(de)出現(xian)在40Hz、50Hz至(zhi)幾百(bai)Hz的頻(pin)帶内(nei)文中(zhong)的仿(pang)真實(shi)驗以(yi)檢測(ce)氣體(ti)流量(liang)的頻(pin)率爲(wei)例。
3.2仿(pang)真實(shi)驗結(jie)果
　　仿(pang)真實(shi)驗參(can)數設(she)定如(ru)下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲(wei)76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲(wei)諧波(bo)幹擾(rao)頻率(lü)。仿真(zhen)實驗(yan)㊙️内容(rong)分别(bie)爲利(li)用FFT和(he)CZT變換(huan)兩種(zhong)方法(fa)來提(ti)取渦(wo)街信(xin)号的(de)主頻(pin)。按照(zhao)建立(li)的渦(wo)街信(xin)号模(mo)型,取(qu)ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦(wo)街信(xin)号在(zai)時域(yu)上的(de)波形(xing)如圖(tu)4所示(shi)。從圖(tu)中可(ke)以看(kan)出,信(xin)号中(zhong)混疊(die)着👌各(ge)種噪(zao)聲🛀🏻和(he)幹擾(rao),且渦(wo)街信(xin)号⛱️頻(pin)率越(yue)低，噪(zao)🥵聲幹(gan)擾越(yue)明顯(xian)。
 
　　對渦(wo)街信(xin)号做(zuo)FFT變換(huan),并在(zai)Matlab環境(jing)下進(jin)行仿(pang)真,得(de)到圖(tu)5所示(shi)的頻(pin)譜圖(tu),圖中(zhong)譜峰(feng)值最(zui)大的(de)即爲(wei)渦街(jie)信号(hao)的頻(pin)率值(zhi),将圖(tu)5局部(bu)放大(da)得到(dao)圖6。從(cong)圖6中(zhong)可以(yi)看出(chu):渦街(jie)信💜号(hao)的頻(pin)率大(da)概🔅在(zai)368Hz附近(jin)。
 
　　在FFT變(bian)換的(de)基礎(chu)上,先(xian)确定(ding)頻譜(pu)中主(zhu)瓣的(de)位置(zhi)(仿真(zhen)㊙️實驗(yan)中取(qu)㊙️最大(da)值和(he)次最(zui)大值(zhi)之間(jian)作爲(wei)局部(bu)放大(da)的主(zhu)瓣位(wei)置),然(ran)後在(zai)🈲此區(qu)間進(jin)行CZT變(bian)換,仿(pang)真結(jie)果如(ru)圖7所(suo)示:
 
　　渦(wo)街信(xin)号的(de)頻率(lü)在364.24Hz附(fu)近,誤(wu)差爲(wei)0.03Hz,與隻(zhi)采用(yong)FFT變換(huan)的結(jie)果相(xiang)比🔞,測(ce)量精(jing)度明(ming)顯提(ti)高。
　　用(yong)同樣(yang)的方(fang)法,通(tong)過對(dui)待檢(jian)測的(de)氣體(ti)流量(liang)輸出(chu)信号(hao)㊙️頻率(lü)的♊各(ge)頻段(duan)各取(qu)2個頻(pin)率點(dian),共8組(zu)數據(ju),進行(hang)仿真(zhen)實驗(yan),将FFT方(fang)法和(he)CZT方法(fa)進🐅行(hang)比較(jiao),結果(guo)如表(biao)1所示(shi)。從表(biao)1可以(yi)看出(chu)，經CZT方(fang)法校(xiao)正後(hou)的絕(jue)對誤(wu)差基(ji)本控(kong)制🍓在(zai)0.02Hz内,精(jing)度大(da)大提(ti)高。
 
5結(jie)束語(yu)
　　在渦(wo)街流(liu)量計(ji)中采(cai)用Chirp-Z變(bian)換的(de)頻譜(pu)校正(zheng)方法(fa)來提(ti)高的(de)測量(liang)精度(du),該方(fang)法的(de)基本(ben)原理(li)是先(xian)進行(hang)FFT變換(huan),确定(ding)頻譜(pu)中主(zhu)瓣的(de)位置(zhi),然後(hou)再用(yong)Chirp-Z變換(huan)對主(zhu)瓣進(jin)⭐行局(ju)部細(xi)化,從(cong)而降(jiang)低頻(pin)譜上(shang)的采(cai)樣間(jian)隔,達(da)到提(ti)高渦(wo)街流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度的(de)目的(de),從仿(pang)真實(shi)驗的(de)結果(guo)來看(kan),校正(zheng)後的(de)絕對(dui)誤差(cha)基本(ben)保持(chi)在0.02Hz以(yi)内，提(ti)高了(le)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)精度(du),滿足(zu)了渦(wo)街流(liu)量計(ji)實際(ji)測量(liang)的需(xu)要。

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