摘要:傳統(tong)渦街流量計 由(yóu)于抗幹擾性差(chà)、測量精度低等(deng)難以滿足實際(ji)測量🌂的需求👣,開(kāi)發抗擾型高渦(wō)街流量計已成(chéng)爲當前流量測(ce)量💘領域的重要(yao)發展方向。針對(duì)現有産品存🙇‍♀️在(zài)的問🌐題,設計😘了(le)一種嵌入式渦(wō)街流♌量計,給出(chu)了硬件組成結(jie)構和相關電路(lù)原理圖;并在信(xìn)号處理🏃🏻‍♂️算法上(shang),采用Chirp-Z變換的頻(pin)譜校正方法,對(dui)經FFT變換後的渦(wo)街信号的頻譜(pu)主瓣進行局部(bu)細化,從而在運(yun)算量增加不✔️多(duo)的情況下,提高(gāo)了渦街🔞流量計(ji)的測量精💃🏻度。并(bìng)通過Matlab仿真實驗(yan)對該頻譜校正(zheng)方法進行有效(xiao)性驗證。仿真結(jié)果表明:該方法(fǎ)具有校正精度(dù)高,響應速度快(kuài)和使💔用靈活💔的(de)特點。
0引言
　　渦街(jie)流量計廣泛應(ying)用于過程測量(liàng)和控制儀表中(zhong)。但在測量現❗場(chang),由于各種機械(xiè)振動和流場的(de)不穩定,使得渦(wō)街信号中.摻雜(za)了各種噪聲和(hé)幹擾,不能♈有效(xiào)提🌈取準确的渦(wō)街頻率信✔️号,影(yǐng)響了流量計的(de)測量精度。随着(zhe)單片機和DSP發展(zhan),國内外專家相(xiàng)繼提出采用各(ge)種數字信号處(chù)理的有關算法(fǎ)來處理渦街信(xìn)号,其中⭕FFT因其方(fang)法直觀,易于編(bian)程實現而🏃被廣(guǎng)泛應用,但♻️由于(yu)FFT的栅欄效應，使(shǐ)得直接采用FFT變(biàn)換所獲得的頻(pin)譜具有固定的(de)采樣間距△f(△f=Fs/N,爲💃🏻系(xi)統分辨率🙇‍♀️),從而(ér)産生最大爲0.5Fs/N的(de)頻率測量誤差(chà)。爲了提高系統(tong)分辨率，在相同(tong)的🌍采樣點數下(xia)，就必須減☔小采(cai)樣頻率,而采樣(yàng)頻率又受到香(xiang)農🤟采樣定理的(de)約束;若不改變(biàn)采樣頻率,隻能(néng)增加🌈采樣點數(shù)N,又會增加數據(ju)的存儲量🚩和計(jì)算量,降低了系(xì)統的實🏃🏻‍♂️時性。可(ke)見,單純用FFT很難(nan)進一步提高測(ce)量精度,隻有對(dui)FFT的結果進行一(yi)定的改進和校(xiào)🌈正,才能提取更(gèng)精确的頻率、幅(fu)值和🔴相位信息(xī)。爲此設計一種(zhong)嵌人式渦街流(liu)量計,在算法上(shàng)利用Z平面上的(de)一段螺旋線做(zuò)等間隔采樣的(de)Z變換,在局部頻(pin)段内進行頻譜(pu)細👌化,以達到進(jìn)一步提高🙇‍♀️測量(liang)精度的目的。
1渦(wo)街流計工作原(yuán)理與系統組成(cheng)
1.1渦街流量h計工(gōng)作原理
　　渦街流(liú)量計是基于卡(kǎ)門渦街原理制(zhi)成的一種流體(ti)振蕩❄️性流量計(jì)，即在流動的流(liú)體中放置一個(ge)非流線✏️型的對(dui)稱形狀的物體(tǐ){渦街流量傳感(gǎn)器中稱🏃🏻之爲漩(xuan)渦發生體)，就會(hui)在其下流兩側(cè)産生2列有規律(lü)的漩渦即卡門(men)渦街,其漩渦頻(pín)率正比🤞于來流(liu)速度:
F=Stʋ/D
　　式中:F爲單(dān)列漩渦頻率,Hz;D爲(wei)漩渦發生體寬(kuan)度,m;ʋ爲漩渦發生(sheng)體兩側平均流(liú)速,m/s;St爲特勞哈爾(er)數,無量綱,St的值(zhí)與漩渦發生體(tǐ)寬度D和雷❓諾數(shù)Re有關。
1.2硬件系統(tǒng)組成結構
　　根據(ju)渦街流量計的(de)特點和數字信(xìn)号處理的運算(suan)要求,選擇了dsPIC30F6012單(dan)片機作爲核心(xin)部件,它是一種(zhǒng)16位微處理器。其(qí)内部♋集成有1個(gè)16位CPU和1個DSP内核,當(dāng)内部時鍾頻率(lǜ)爲🧡最高120MHz時,進行(hang)1次16bitx16bit運算爲8.3ns等特(te)點。系統組成主(zhu)要包括:檢測電(diàn)路、放大電路、顯(xian)‼️示電路、通🚶信接(jiē)口電路等,其系(xì)統組成框圖如(rú)圖1所示。渦街傳(chuan)感器采集流量(liang)信号,壓力、溫度(du)傳感器采集流(liú)體溫度、壓力信(xìn)号對流量信号(hao)加🏒以實時補償(cháng)和修正。
 
1.3前置放(fàng)大器電路設計(ji)
　　前置放大器由(yóu)電荷/電壓轉換(huan)器、電壓放大器(qi)、低通濾波❌器組(zǔ)成。采用雙端輸(shu)人的電荷/電壓(yā)轉換器,它把探(tàn)頭壓電晶體輸(shū)出的交變電荷(hé)信号變換成與(yǔ)🥵電荷量成正比(bi)的電壓信号。電(diàn)壓放大器則利(lì)用同相輸人的(de)放大器來✌️得到(dao)幅度🧡适當的電(diàn)壓信号。設置低(di)通濾波🏒器的作(zuò)用是♊爲了消除(chu)渦🏃🏻街信号中夾(jiá)帶的複雜噪聲(shēng)。前置放大器具(jù)體實現電路如(rú)圖2所示。
 
2系統的(de)軟件設計
2.1渦街(jiē)流量計信号采(cai)集和處理算法(fa)
　　N點FFT計算的頻譜(pǔ)實際上是Z平面(mian)單位圓上的N點(diǎn)等間隔采樣,Chirp-Z變(biàn)換(即CZT)是Z平面螺(luó)旋線周線上Z變(biàn)換的等間隔取(qǔ)樣,這些取樣在(zai)螺旋線的某--部(bù)分上按等角度(du)分布。具體地說(shuo),令x(n)表示N點序列(lie)📱,X(z)表示其Z變換,而(ér)利用CZT算法,可以(yǐ)計算給定點z的(de)X(z),N點x(n)的Chirp-Z變換爲:
 
　　這(zhè)裏ƒ(n)和h(n)的離散卷(juan)積可以用ƒ(n)和h(n)的(de)适當段的圓周(zhōu)卷積來實現，而(er)圓周卷積可用(yòng)FFT的方法求得。式(shì)(3)的計算🔞流程可(kě)用圖3所示的線(xian)性系統來表示(shi):
 
2.2處理算法實現(xiàn)步驟
CZT變化的具(jù)體步驟如下:
(1)給(gěi)定采樣數據x(n),信(xin)号長度N,信号的(de)采樣頻率Fs;
(2)對x(n)先(xiān)做FFT變換,确定頻(pin)譜的頻段;
(3)确定(ding)待分析頻段的(de)起始頻率ƒb,頻寬(kuān)ƒw,取樣點數M以.及(jí)要達💃到的頻率(lü)分辨力△ƒ,後3個參(cān)數滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分(fèn)析變換結果,包(bao)括譜峰位置，大(dà)小和相位等。
3系(xì)統仿真實驗
3.1渦(wō)街信号模型的(de)建立
　　理論上渦(wo)街流量計的輸(shu)出爲正弦波,而(er)實際的輸出信(xìn)号中往往含有(yǒu)各種不同的噪(zào)聲和幹擾成分(fen),但在信号不被(bei)幹擾淹沒💞的情(qing)況下,其主要能(néng)量仍集中在有(yǒu)用的渦街頻率(lü)點上。因此,根據(ju)渦街流量計檢(jian)測信号的特點(diǎn)和噪聲分析建(jian)立具有以下形(xíng)式的渦街信号(hào)模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式中:ƒ1爲信(xin)号頻率;ƒ2爲周期(qi)性噪聲頻率;A1<A2;randn(size(t))爲(wèi)高斯白噪聲。
　　對(dui)于某一固定口(kǒu)徑的流量計,其(qi)量程比一般爲(wèi)1:10,以DN50爲例，其氣⛱️體(tǐ)和液體的頻率(lǜ)測量範圍分别(bié)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由某儀(yi)表廠提供)，而包(bāo)含于.渦街信号(hào)的周期性噪聲(shēng)主要🙇‍♀️的出現在(zài)40Hz、50Hz至幾百Hz的頻帶(dài)内文中的仿真(zhēn)實驗以檢測氣(qi)體流量的頻率(lü)爲例。
3.2仿真實驗(yan)結果
　　仿真實驗(yàn)參數設定如下(xia):Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波幹(gàn)擾頻率。仿真實(shí)驗内容分别爲(wei)利用FFT和CZT變換兩(liǎng)種方法來提取(qu)渦街信号💋的主(zhu)頻。按照建立的(de)渦街信号模型(xing),取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信号(hao)在時域上的🔴波(bō)形如圖4所示。從(cóng)圖中可以看出(chu),信号中混疊着(zhe)⭐各種噪聲和幹(gan)擾,且渦街信号(hào)頻率越低，噪聲(sheng)幹擾越明顯。
 
　　對(duì)渦街信号做FFT變(biàn)換,并在Matlab環境下(xià)進行仿真,得到(dào)圖5所示的頻🐅譜(pu)圖,圖中譜峰值(zhi)最大的即爲渦(wō)街信号的頻率(lü)值,将圖❤️5局部放(fang)大得到圖6。從圖(tú)6中可以看出:渦(wo)街信✌️号的頻率(lü)大概✂️在368Hz附近。
 
　　在(zai)FFT變換的基礎上(shàng),先确定頻譜中(zhōng)主瓣的位置(仿(pang)真💰實驗中取㊙️最(zuì)大值和次最大(dà)值之間作爲局(ju)部放大的主瓣(bàn)位♈置),然後在此(cǐ)區♈間進行CZT變換(huan),仿真結果如圖(tu)7所示:
 
　　渦街信号(hao)的頻率在364.24Hz附近(jìn),誤差爲0.03Hz,與隻采(cai)用FFT變換的💛結☂️果(guǒ)🔞相比,測量精度(dù)明顯提高。
　　用同(tóng)樣的方法,通過(guò)對待檢測的氣(qì)體流量輸出信(xìn)号🔴頻率的☁️各🚶頻(pín)段各取2個頻率(lü)點,共8組數據,進(jìn)行仿🌈真實驗,将(jiang)⚽FFT方法和CZT方🈲法進(jin)👉行比較,結果如(ru)表1所示。從表1可(ke)以看出，經CZT方法(fa)校😄正後的絕對(duì)誤差基本控制(zhi)🔱在0.02Hz内,精度大大(da)提高。
 
5結束語
　　在(zài)渦街流量計中(zhōng)采用Chirp-Z變換的頻(pín)譜校正方法來(lái)提⭐高的測量精(jing)度,該方法的基(jī)本原理是先進(jin)行FFT變換,确定頻(pín)譜中主✍️瓣的位(wèi)置,然後再用Chirp-Z變(biàn)換對主瓣進行(hang)局部細化,從而(ér)降低頻譜上的(de)采樣間隔,達到(dao)提高渦街流🌈量(liang)計的測量精度(du)的目的,從仿真(zhen)實驗的結果來(lai)看,校正後的絕(jué)對誤差基本保(bao)💁持在0.02Hz以内，提🐪高(gao)了渦街流量計(ji)的測量精度,滿(man)足了渦街流量(liàng)計實際測量的(de)需要。

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