摘要:介紹(shào)了渦街流量計(jì) 原理,研究了渦(wo)街信号處理方(fāng)法,設計了IIR和FIR數(shu)字濾波器,并用(yòng)✏️圖形化編程軟(ruǎn)件Lab-VIEW進行仿真實(shí)驗,觀察了數字(zì)🌂濾波器在渦街(jie)信号處理中的(de)效果。
1渦街流置(zhi)計
　　流量計量是(shi)計量科學技術(shù)的組成部分之(zhī)一,它與國民🏃‍♂️經(jīng)🤞.濟、國防建設、科(kē)學研究有着密(mì)切的關系,随🛀🏻着(zhe)我國工農業的(de)發展,對流體流(liu)量的計量提出(chu)了越來越多、越(yue)來越高的要求(qiu),特别是在🎯注重(zhòng)節省能源、提高(gao)經濟效益和産(chǎn)品質量的今天(tiān)，流㊙️量計量與測(ce)試的重要性就(jiù)更加突⚽出了,并(bìng)且爲越來越多(duo)的🏃‍♂️人所認識。在(zài)氣體、液體、蒸汽(qi)的流量測量中(zhong)，渦💞街流量計具(jù)有精度高量程(chéng)比較寬、線性度(du)較好、壓力損失(shī)小、性能可靠、測(cè)量元件結構簡(jian)單、使用壽命長(zhang)、安裝維護方便(bian)、适用各種介質(zhì)等一系列的優(yōu)點,在計量檢測(cè)中發揮越來越(yuè)大的作用，有着(zhe)廣泛的應用🔆前(qián)景。
2渦街信号研(yan)究
　　理想情況下(xia),渦街流量傳感(gǎn)器的輸出信号(hao)應該是正弦🚶‍♀️波(bo)，其頻💜率與流體(ti)的流速成正比(bi)。然而,工業現場(chǎng)的😘噪聲是普遍(biàn)存在的🔱,這些噪(zao)聲信号包括管(guǎn)道🙇‍♀️内流動介質(zhi)的湍流、脈動、流(liú)場的不穩‼️定及(jí)不均勻性對渦(wo)街發生體施加(jiā)不規則的附加(jiā)作用力而産生(shēng)的流體流動噪(zào)聲。當規則渦街(jie)産生後,在工作(zuo)信号上會叠加(jiā)一種1/5到1/10渦街頻(pin)率的流體低頻(pin)擺動噪聲,或輸(shū)送😘流體的管道(dao)偶爾受到外📐力(lì)撞擊,會産生🧡随(suí)🌈機振動噪聲;以(yi)及🆚各種.動力源(yuán),如水泵♍、壓縮機(jī)等⭕的振動由💋管(guǎn)道傳遞到傳感(gan)器上,造成渦街(jie)發生體上産生(shēng)附加的慣性應(ying)力,形成的振動(dong)噪聲。因此，實⁉️際(jì)的渦街傳感器(qì)的輸出信号遠(yuǎn)非理想的正弦(xián)波信号,而是一(yī)個混有強噪💰聲(shēng)的混合信号,它(ta)是由兩部分信(xìn)号🆚組成:一是流(liú)速産生的渦街(jie)信号S(t),二是幹❗擾(rao)引起的噪聲信(xin)号N(t),即實際的渦(wō)街信号Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zào)聲信号中又含(hán)有确定性分量(liàng)和随機分✌️量。随(sui)機分量♌可認爲(wèi)是服從高斯分(fèn)布的白噪聲信(xin)号,而确定性🈲分(fen)量是由流體低(dī)頻擺動或動力(li)源振動引起,獨(du)立📧于渦街信号(hào),可由另-一個正(zhèng)弦信号來模拟(nǐ)。因此，渦⭐街傳感(gan)器的輸出信号(hào)Y(t)可以用下面的(de)式♋子近似表😘示(shì):
 
　　式中:Ao，fo,Q。分别表示(shì)渦街信号S(t)的幅(fu)值、頻率和初始(shi)相位;A1，f1,Q1分别表示(shi)🔅噪聲信号N(t)中諧(xie)波幹擾分量的(de)幅值、頻率和初(chū)始相位;d表示噪(zào)聲信号N(t)中的高(gāo)斯分布白噪聲(shēng)會疊加在渦街(jiē)信号中,使測量(liàng)結果産生較明(míng)顯的誤差。所以(yǐ)✍️,選用适當的數(shù)字信号處方法(fa)去除信号中噪(zào)聲的幹📞擾,最大(dà)程度的複現流(liu)速🌈信号,是進行(háng)渦街信号處理(li)的主要任務。
3數(shu)字濾波器的設(she)計
　　用窗函數法(fa)設計FIR數字濾波(bō)器就是用有限(xiàn)長的脈沖響⛷️應(yīng)序列來逼近無(wu)限長的脈沖響(xiang)應序列。基本設(she)計思想爲:首🏒先(xian)選定一✔️個理想(xiang)的選頻濾波器(qì),然後截取它的(de)脈沖響應得到(dao)線性相位和因(yin)果的FIR濾波器。因(yin)此,這種方法的(de)重點是選擇-一(yi)個合适的窗函(hán)數和理想濾波(bō)器。一個理想低(dī)通濾波器的頻(pin)率💜響應爲:
 
　　其中(zhōng),;wc是濾波器的截(jie)止頻率,a爲采樣(yàng)延遲這個濾波(bo)器🌂的脈沖響應(yīng)具有無限持續(xù)時間,它由下式(shi)給定:
 
　　注意,hc(n)關于(yú)a對稱,這一點對(duì)于線性相位濾(lǜ)波器是有用的(de)。
　　爲了從hd(n)得到一(yī)個FIR濾波器,必須(xū)同時在兩邊截(jié)取hd(n)。而✨要🍉得到-一(yi)個因果的線性(xing)相位濾波器,且(qiě)它h(n)的長.度爲M,這(zhè)✏️種操作叫做“加(jia)窗”,則h(n)可以看作(zuò)是hd(n)與窗函數w(n)的(de)乘積:根據w(n)的不(bú)🌈同定義，可以得(de)到各種不同的(de)窗結構，包括矩(ju)形窗、三角型窗(chuāng)、漢甯窗、海明窗(chuang)、布萊克曼✔️窗等(deng),這裏采用的是(shì)海明🙇‍♀️窗進行FIR數(shù)字濾波器的設(she)🛀計。海明窗這種(zhǒng)窗函數是漢甯(níng)窗的一種變形(xing)☔,它的形狀也相(xiang)似于一個餘弦(xián)曲線。可定義爲(wei):
 
　　窗函數設計FIR濾(lǜ)波器的步驟:
1)根(gēn)據技術要求确(que)定待求濾波器(qi)的單位取樣hd(n)。如(ru)果給🆚出待求濾(lǜ)波器的頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那麽單位(wèi)取樣響應用👈下(xià)式求出:
 
2)據對過(guo)渡帶及阻帶衰(shuai)減的要求,選擇(ze)窗函數的形式(shi)，并估計窗口長(zhang)度n。
3)計算濾波器(qì)的單位取樣響(xiang)應h(n)。
4)驗算技術指(zhǐ)标是否滿足要(yao)求。設計出的濾(lü)波器頻率響應(ying)用下🐕式計算:
 
　　計(jì)算上式時可以(yǐ)用FFT算法。如果H(ejw)不(bú)滿足要求,根據(jù)具體情況重複(fu)2,3,4步,直到滿足要(yào)求。
　　流速信号中(zhōng)存在大量的噪(zao)音幹擾信号,由(yóu)管道振動、外界(jie)🈲振👉動引起的幹(gan)擾信号,還有50Hz交(jiao)流電的幹擾信(xìn)号,真正的現場(chǎng)存在的幹擾要(yao)比這些強得多(duo),也就是使用捕(bu)捉數字脈沖的(de)檢測方式不能(neng)檢測出低流速(sù)下的信号,這些(xie)信号都對流速(sù)的測量,特别是(shi)低流速的測量(liàng)産生很✍️壞的影(ying)響。所以必須對(dui)原始信号進行(hang)處理。從數字濾(lǜ)波前後的流速(su)信号波形對比(bi)可以看出✊，濾波(bō)後的波形要平(ping)滑的多,也就是(shi)将大部分的噪(zao)音信号去除了(le),這樣就可以方(fang)便進行計算，得(de)出流速值。從數(shù)字濾波後的波(bo)形圖可以看出(chū),IIR濾波和FIR濾波都(dōu)能夠達到不錯(cuo)的效果，都可以(yǐ)完成流速信号(hào)的檢測,可以根(gen)據它們的适用(yong)場㊙️合和适用條(tiao)件不同,決定選(xuǎn)用🌂具體的濾波(bō)方法，達到檢測(ce)流速信号的效(xiao)果。

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