摘(zhai)要:介紹(shào)了渦街(jie)流量計(ji) 原理,研(yán)究了渦(wo)街信号(hào)處理方(fang)法,設計(jì)了IIR和FIR數(shu)字濾🔅波(bo)器✔️,并用(yòng)圖形化(huà)編程軟(ruǎn)件Lab-VIEW進行(hang)仿真實(shi)驗,觀察(chá)了數字(zì)濾波器(qi)在渦街(jie)信号🐇處(chu)理中的(de)效果。
1渦(wō)街流置(zhì)計
　　流量(liang)計量是(shì)計量科(ke)學技術(shù)的組成(chéng)部分之(zhī)一,它與(yu)國💋民經(jing)❌.濟、國防(fang)建設、科(ke)學研究(jiū)有着密(mì)切的關(guan)系,随着(zhe)我國工(gōng)農業的(de)發展,對(dui)流體流(liu)量的計(jì)量提出(chu)了越來(lai)越㊙️多、越(yuè)來越高(gāo)的要求(qiu),特别是(shì)在注重(zhong)節省能(néng)源、提高(gao)經濟效(xiào)益和産(chan)品質量(liang)的今天(tian)，流量計(ji)量與測(cè)試的重(zhòng)要性就(jiù)更加突(tū)出了,并(bìng)且爲越(yuè)來越多(duo)的🏃🏻人所(suo)認識。在(zai)💛氣體、液(ye)體、蒸汽(qì)的流量(liang)測量中(zhong)，渦街流(liú)🥰量計具(ju)有⭕精度(du)高量程(cheng)比較寬(kuan)、線性度(dù)較好、壓(ya)力損失(shi)小、性能(néng)可靠、測(cè)量元件(jian)結構簡(jian)單、使用(yòng)壽命長(zhǎng)、安👉裝維(wéi)護方便(biàn)、适用各(ge)種介質(zhì)等一系(xì)列的優(yōu)點,在計(ji)量檢測(cè)中發揮(huī)越來越(yuè)大的作(zuò)用，有着(zhe)廣泛的(de)應用前(qián)景。
2渦街(jiē)信号研(yan)究
　　理想(xiang)情況下(xià),渦街流(liú)量傳感(gan)器的輸(shu)出信号(hao)應該是(shi)正弦波(bo)，其頻率(lǜ)與流體(tǐ)的流速(su)成正比(bi)。然而,工(gong)業現場(chǎng)的🔞噪聲(sheng)✍️是普遍(bian)存在的(de),這些噪(zào)聲信号(hao)包括管(guǎn)道内流(liu)動介質(zhì)的湍流(liú)、脈動、流(liu)場的不(bu)穩定及(ji)不均勻(yun)性對渦(wo)街發生(shēng)體施加(jia)不規則(ze)的附加(jia)作❓用力(li)而産🐕生(shēng)的流體(tǐ)流動噪(zào)聲。當規(guī)則渦街(jie)産生❤️後(hou),在工作(zuò)信号上(shàng)會叠加(jiā)一種1/5到(dao)1/10渦街頻(pín)率🤟的流(liu)體低頻(pin)擺💞動噪(zao)聲,或輸(shū)送流體(ti)的管道(dao)偶爾受(shòu)到外力(li)撞擊,會(hui)産生随(suí)機振動(dòng)噪聲;以(yǐ)及🏃🏻各種(zhong).動力源(yuán),如水💁泵(beng)、壓縮機(ji)等的振(zhèn)動由管(guan)道傳遞(dì)到傳感(gǎn)器上,造(zao)成渦街(jie)發💘生體(tǐ)🈲上産生(sheng)附加的(de)慣性應(ying)力🈲,形成(chéng)的振動(dong)噪聲。因(yīn)此，實際(jì)的渦街(jie)傳感器(qi)的輸出(chu)信号遠(yuǎn)非理想(xiang)的正弦(xián)波信号(hào),而是一(yī)個混有(you)強噪聲(sheng)的混合(hé)信号,它(ta)是由兩(liang)部分信(xin)号組成(cheng):一是流(liu)速産生(sheng)的渦街(jie)信号S(t),二(er)是幹☎️擾(rao)引起的(de)噪聲信(xìn)号N(t),即實(shí)際的渦(wō)街信号(hào)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪(zao)聲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信号(hào)中又含(hán)有确定(ding)性分量(liàng)和随機(jī)分量。随(sui)機分量(liàng)😘可認爲(wèi)是服從(cong)高斯分(fèn)布的白(bái)噪聲信(xin)号,而确(que)定性分(fèn)量是由(you)流💚體低(di)頻擺動(dòng)或動力(lì)源振動(dong)引起,獨(du)立🚩于渦(wo)街信号(hào),可由另(lìng)🔴-一個正(zheng)弦信号(hao)來模拟(ni)。因此，渦(wo)街傳感(gǎn)器的輸(shu)出信号(hao)Y(t)可以用(yòng)下面的(de)式子近(jin)似表示(shì):
 
　　式中:Ao，fo,Q。分(fèn)别表示(shì)渦街信(xìn)号S(t)的幅(fu)值、頻率(lü)和初始(shǐ)相位;A1，f1,Q1分(fen)🔞别表示(shì)🥰噪聲信(xìn)号N(t)中諧(xie)波幹擾(rao)分量的(de)幅值、頻(pin)率和初(chū)⭐始相位(wèi);d表示噪(zào)💋聲信号(hao)N(t)中的高(gao)斯分布(bu)白噪聲(sheng)會疊加(jiā)在渦街(jiē)信号中(zhōng),使測量(liang)結果産(chǎn)🎯生較明(ming)顯的誤(wu)差。所以(yǐ),選用适(shì)當📐的數(shù)字信号(hao)處方法(fǎ)去除信(xin)号❗中噪(zao)聲的幹(gan)擾,最大(dà)程度的(de)複現流(liu)速信号(hao),是進行(háng)渦街信(xìn)号處理(li)💰的主要(yao)任務。
3數(shù)字濾波(bo)器的設(she)計
　　用窗(chuāng)函數法(fǎ)設計FIR數(shu)字濾波(bō)器就是(shì)用有限(xian)長的脈(mo)沖響應(yīng)☎️序列來(lai)逼近無(wu)限長的(de)脈沖響(xiǎng)應序列(lie)。基本設(she)計思想(xiang)爲:首✉️先(xiān)選定一(yi)個理想(xiǎng)的選頻(pín)濾波器(qi),然後截(jié)取⛱️它的(de)脈沖響(xiang)應得到(dao)線性相(xiàng)位和因(yin)果的FIR濾(lǜ)波器。因(yīn)此,這種(zhǒng)方法的(de)重點是(shi)選擇-一(yī)個合适(shi)的窗函(hán)數和理(li)想濾波(bo)器。一個(ge)💛理想低(dī)通濾波(bō)器的頻(pín)率響應(yīng)爲:
 
　　其中(zhong),;wc是濾波(bo)器的截(jie)止頻率(lü),a爲采樣(yàng)延遲這(zhè)個濾波(bo)器⭕的脈(mò)沖📞響應(yīng)具有無(wu)限持續(xu)時間,它(ta)由下式(shì)給定☁️:
 
　　注(zhu)意,hc(n)關于(yu)a對稱,這(zhe)一點對(duì)于線性(xìng)相位濾(lü)波器是(shì)有用的(de)。
　　爲了從(cong)hd(n)得到一(yi)個FIR濾波(bo)器,必須(xu)同時在(zài)兩邊截(jie)取hd(n)。而💛要(yào)得到😄-一(yi)✍️個😄因果(guǒ)的線性(xìng)相位濾(lü)波器,且(qiě)它h(n)的長(zhǎng).度🈲爲M,這(zhè)🎯種操作(zuò)叫做“加(jiā)💯窗”,則h(n)可(ke)以看作(zuo)是hd(n)與窗(chuang)函數w(n)的(de)乘積:根(gen)據w(n)的不(bu)同定義(yì)，可以得(de)到各種(zhǒng)不同的(de)窗結構(gòu)，包括矩(ju)形窗、三(san)角👅型窗(chuang)、漢甯窗(chuāng)、海明窗(chuāng)、布萊克(kè)曼🐆窗等(děng),這裏采(cai)用的是(shi)海明窗(chuang)進行FIR數(shù)字💃濾波(bō)器的設(she)🔱計。海明(míng)窗這種(zhǒng)💃🏻窗函數(shu)是漢甯(ning)窗的一(yī)種變形(xing)🙇🏻,它的形(xíng)狀也相(xiang)似于一(yi)個餘弦(xián)曲線。可(ke)定🌈義爲(wèi):
 
　　窗函數(shu)設計FIR濾(lǜ)波器的(de)步驟:
1)根(gen)據技術(shu)要求确(què)定待求(qiu)濾波器(qì)的單位(wèi)取樣hd(n)。如(rú)果給出(chu)待求濾(lü)波器的(de)頻率響(xiǎng)應爲Hd(ejw),那(nà)麽單位(wei)取樣響(xiang)✊應用下(xia)式求出(chū)🤞:
 
2)據對過(guo)渡帶及(ji)阻帶衰(shuai)減的要(yào)求,選擇(zé)窗函數(shù)的形式(shi)，并估㊙️計(jì)窗口長(zhǎng)度n。
3)計算(suan)濾波器(qi)的單位(wèi)取樣響(xiang)應h(n)。
4)驗算(suan)技術指(zhi)标是否(fǒu)滿足要(yào)求。設計(jì)出的濾(lü)波器頻(pín)❤️率響應(ying)用下式(shi)計算:
 
　　計(jì)算上式(shi)時可以(yǐ)用FFT算法(fǎ)。如果H(ejw)不(bú)滿足要(yao)求,根據(jù)具體情(qíng)況重複(fu)2,3,4步,直到(dao)滿足要(yào)求。
　　流速(sù)信号中(zhōng)存在大(da)量的噪(zào)音幹擾(rao)信号,由(you)管道振(zhen)動、外界(jie)振動💞引(yin)起的幹(gan)擾信号(hao),還有50Hz交(jiao)流電的(de)幹擾信(xìn)号㊙️,真正(zhèng)的現場(chang)存在的(de)幹擾要(yao)比這些(xiē)強得多(duo),也就是(shi)使用捕(bǔ)捉數字(zi)脈⛷️沖的(de)檢測方(fāng)式不能(néng)檢測出(chū)低流速(su)下🎯的信(xin)号,這些(xiē)信号都(dou)對流速(sù)的測量(liang),特别是(shì)低流速(su)的測量(liàng)産生很(hen)🐆壞的影(yǐng)響。所以(yi)必須對(dui)原始信(xin)号進行(hang)處理。從(cong)數字濾(lǜ)波💘前後(hou)的流速(su)信号波(bo)形對比(bi)可以看(kàn)出，濾波(bo)後的波(bo)形要平(ping)滑的多(duo),也就是(shi)将大部(bu)分的噪(zao)音信号(hao)去除了(le),這樣就(jiu)可以方(fang)便🛀進行(háng)計算，得(dé)出流速(su)值。從數(shu)字📞濾波(bo)後的波(bō)形🐆圖可(kě)以看出(chu),IIR濾波和(hé)FIR濾波都(dou)能夠達(da)到不錯(cuò)的效果(guo)，都可以(yǐ)完成流(liu)速🏃🏻信号(hào)的檢測(ce),可以根(gen)據它們(men)的适用(yong)場🍓合和(he)适用條(tiáo)件不同(tong),決定選(xuǎn)用具體(tǐ)的濾波(bo)方法，達(da)到檢測(ce)流速信(xìn)号的效(xiao)果。

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