摘要:傳統(tong)渦街流量計 由于(yú)抗幹擾性差、測量(liang)精度低等難以滿(mǎn)足實際測✍️量的需(xū)求,開發抗擾型高(gāo)渦街流量計已成(chéng)爲當前流量💯測量(liang)領域的重要發展(zhan)方向。針對現有産(chan)品存在的問題,設(shè)計🔞了一種嵌入式(shi)渦街流量計,給出(chu)了硬件組成結構(gòu)和相關電路原理(lǐ)圖;并在信号處理(lǐ)算法上,采用Chirp-Z變換(huan)的頻譜校正方法(fǎ),對經FFT變換後的渦(wo)街信号的頻譜主(zhǔ)瓣進行局部細化(huà),從而在運算✨量增(zeng)加不🌍多的情況下(xia),提高了渦街流量(liàng)計的測量精度。并(bìng)通過Matlab仿真實驗對(dui)該頻譜校正方法(fa)進行有效性驗證(zheng)。仿真結果表明:該(gai)方法具有校正精(jīng)度高🙇‍♀️,響應速度快(kuài)和使用靈活♉的特(te)點。
0引言
　　渦街流量(liàng)計廣泛應用于過(guo)程測量和控制儀(yi)表中🐆。但❤️在🌈測量📐現(xian)場,由于各種機械(xiè)振動和流場的不(bu)穩📱定,使得渦街信(xìn)💋号中.摻雜了各種(zhong)噪聲和幹擾,不能(neng)有效提⚽取準确的(de)渦街頻率信号,影(yǐng)響了流量計的測(cè)量精度。随着單片(pian)機和DSP發展,國内外(wài)專家相繼提👣出采(cai)用各種數字信号(hao)處理的有關算法(fǎ)來處理渦♊街信号(hào),其中💃FFT因其方法直(zhi)觀,易于編程實現(xian)而被廣泛應用,但(dan)由于FFT的栅欄效應(ying)，使得直接采用FFT變(biàn)換所獲得的頻譜(pǔ)具有固定的采樣(yang)間距△f(△f=Fs/N,爲系統分辨(biàn)率),從而産生💁最大(dà)爲0.5Fs/N的頻率測量誤(wù)差。爲了提高系統(tǒng)分辨率，在相同的(de)采樣點數下，就必(bi)須減小采樣頻率(lü),而采樣頻率又受(shou)到香農采樣定理(li)的約束;若不改變(biàn)❄️采樣頻率,隻能增(zēng)加🈲采樣點數N,又會(hui)增加數據💯的存儲(chǔ)量和計算量,降低(di)了系統的實時性(xìng)。可見,單純用FFT很難(nán)進一步提🚶高測量(liàng)精度,隻有對FFT的結(jie)果進行一定的改(gǎi)進和校正,才能提(tí)取更精确的頻率(lü)、幅值和相位信息(xi)。爲此設計一種嵌(qiàn)人式渦街流量計(ji),在算法上利用Z平(ping)面上的一段螺旋(xuan)線做等間隔采🐕樣(yàng)的Z變換,在局部頻(pin)段内進行頻譜細(xì)🌈化,以達到進一步(bù)提高👌測量精度的(de)目的。
1渦街流計工(gōng)作原理與系統組(zu)成
1.1渦街流量h計工(gong)作原理
　　渦街流量(liang)計是基于卡門渦(wo)街原理制成的一(yī)種流體振蕩㊙️性流(liu)量計，即在流動的(de)流體中放置一個(gè)非㊙️流線型的對稱(chēng)形狀的物體{渦街(jiē)流量傳感器中稱(cheng)之爲漩渦發生體(tǐ))，就會在其下流兩(liang)側🌈産生2列有規律(lǜ)的漩渦即卡門渦(wo)🏒街,其漩渦頻率正(zheng)比⭐于來流速度:
F=Stʋ/D
　　式(shì)中:F爲單列漩渦頻(pín)率,Hz;D爲漩渦發生體(ti)寬度,m;ʋ爲漩渦發生(shēng)✌️體兩側平均流速(sù),m/s;St爲特勞哈爾數,無(wu)量綱,St的值與漩渦(wō)發生體寬度D和雷(lei)諾數Re有關。
1.2硬件系(xi)統組成結構
　　根據(jù)渦街流量計的特(tè)點和數字信号處(chù)理的運算要求,選(xuan)擇了🤩dsPIC30F6012單片機作爲(wèi)核心部件,它是一(yi)種16位微處理☁️器。其(qí)内部集成有1個16位(wei)CPU和1個DSP内核,當内部(bù)時鍾頻率爲最高(gao)120MHz時,進行1次🏃🏻16bitx16bit運算爲(wèi)8.3ns等特點。系統組成(cheng)主要包括:檢⁉️測電(diàn)路、放大電路、顯示(shi)電路、通信接口電(diàn)路等,其系統組成(chéng)框圖如圖1所示。渦(wō)街傳感器采集流(liu)量信号,壓力、溫度(du)傳感器采集流體(ti)溫度、壓力信号對(duì)流量🆚信号加以實(shi)時補償和修正。
 
1.3前(qian)置放大器電路設(she)計
　　前置放大器由(you)電荷/電壓轉換器(qi)、電壓放大器、低通(tōng)濾波器組成㊙️。采用(yong)雙端輸人的電荷(hé)/電壓轉換器,它把(ba)探頭壓電晶體輸(shū)出的交變電荷信(xìn)号變換成與✌️電荷(he)量成正比的電壓(yā)信号。電壓放大💛器(qi)則利用同💚相輸人(ren)的放大器來得到(dào)幅度适當的電壓(ya)信号。設🏃🏻置低通濾(lü)波器的作用是爲(wèi)了消除渦街信号(hao)中夾帶的複雜噪(zao)聲。前置放大器具(ju)體實現電路如圖(tu)2所㊙️示。
 
2系統的軟件(jiàn)設計
2.1渦街流量計(jì)信号采集和處理(li)算法
　　N點FFT計算的頻(pin)譜實際上是Z平面(miàn)單位圓上的N點等(děng)間隔采樣✉️,Chirp-Z變換☔(即(jí)CZT)是Z平面螺旋線周(zhou)線上Z變換的等間(jiān)隔取樣,這些取樣(yàng)在螺旋線的某--部(bù)分上按等角度分(fen)布。具體地說,令x(n)表(biǎo)示🛀🏻N點序列,X(z)表示其(qí)Z變換,而利用CZT算法(fǎ),可以計算給定點(diǎn)z的X(z),N點x(n)的Chirp-Z變換爲:
 
　　這(zhè)裏ƒ(n)和h(n)的離散卷積(jī)可以用ƒ(n)和h(n)的适當(dāng)段的圓周卷積來(lai)實❌現，而圓周卷積(jī)可用FFT的方法求得(dé)。式(3)的計算流程可(ke)用😍圖3所示的線性(xing)系統來表示:
 
2.2處理(li)算法實現步驟
CZT變(biàn)化的具體步驟如(ru)下:
(1)給定采樣數據(ju)x(n),信号長度N,信号的(de)采樣頻率Fs;
(2)對x(n)先做(zuo)FFT變換,确定頻譜的(de)頻段;
(3)确定待分析(xi)頻段的起始頻率(lü)ƒb,頻寬ƒw,取樣點數M以(yi).及要達到的頻率(lǜ)分辨力△ƒ,後3個參數(shu)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分析變(bian)換結果,包括譜峰(fēng)位置，大小和相位(wèi)等。
3系統仿真實驗(yan)
3.1渦街信号模型的(de)建立
　　理論上渦街(jie)流量計的輸出爲(wèi)正弦波,而實際的(de)輸出信号中往往(wang)含有各種不同的(de)噪聲和幹擾成分(fen),但在信号不被幹(gàn)擾淹沒的情況下(xià),其主要能量仍集(jí)中在有用的渦街(jiē)頻率點上。因此,根(gen)⁉️據渦街流量計檢(jian)測信号的特點和(hé)噪聲分析建立具(ju)⭐有以下形🐆式的渦(wo)街信号模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
　　式中(zhōng):ƒ1爲信号頻率;ƒ2爲周(zhou)期性噪聲頻率;A1<A2;randn(size(t))爲(wei)高斯白噪🌈聲。
　　對于(yu)某一固定口徑的(de)流量計,其量程比(bǐ)一般爲1:10,以DN50爲例，其(qi)氣體🏃‍♂️和液體的頻(pin)率測量範圍分别(bie)爲:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由某儀表(biǎo)廠提供)，而包含于(yu).渦街信号的周期(qi)性噪聲主要的出(chū)現♻️在40Hz、50Hz至幾百Hz的頻(pin)🥰帶内文中的仿真(zhēn)實驗以檢測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼氣體(ti)流量的頻率爲例(lì)。
3.2仿真實驗結果
　　仿(páng)真實驗參數設定(dìng)如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1爲76.65~878.48Hz,ƒ2爲爲諧波(bo)幹擾頻率。仿🐕真實(shi)驗💃内容分别爲利(li)用FFT和CZT變換兩種方(fang)法來提取渦街信(xin)号的主頻。按🏃照建(jian)立的渦街信号模(mó)型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信号(hao)在時域上的波形(xíng)如圖4所示。從圖中(zhōng)可以看出,信号中(zhong)混疊着各種噪聲(shēng)和幹擾,且渦街信(xìn)号🏒頻率越低，噪聲(sheng)幹擾越明顯。
 
　　對渦(wō)街信号做FFT變換,并(bìng)在Matlab環境下進行仿(pang)真,得到圖5所示的(de)頻譜☀️圖,圖中譜峰(fēng)值最大的即爲渦(wo)街信号的頻率值(zhi),将圖5局部放大得(de)到圖6。從圖6中可以(yǐ)看出:渦街信号的(de)頻率大概在368Hz附近(jin)🐆。
 
　　在FFT變換的基礎上(shang),先确定頻譜中主(zhu)瓣的位置(仿真🏃🏻實(shí)驗中取最👌大值和(he)次最大值之間作(zuò)爲局部放大的主(zhǔ)瓣位置),然後在此(ci)區間進行CZT變換,仿(pang)真結果如圖7所示(shi)💁:
 
　　渦街信号的頻率(lü)在364.24Hz附近,誤差爲0.03Hz,與(yu)隻采用FFT變換的結(jie)果相比💃🏻,測量精度(dù)明顯提高。
　　用同樣(yàng)的方法,通過對待(dài)檢測的氣體流量(liàng)輸出信号頻🌈率的(de)各頻段各取2個頻(pín)率點,共8組數據,進(jin)行仿真實驗,将FFT方(fāng)法和CZT方法進行比(bi)較,結果如表1所示(shì)。從表1可以🔴看出，經(jīng)CZT方法校正後的🔞絕(jue)對誤差基本控制(zhì)在0.02Hz内,精度大大提(ti)高。
 
5結束語
　　在渦街(jie)流量計中采用Chirp-Z變(bian)換的頻譜校正方(fāng)法來提高的🔞測量(liang)精度,該方法的基(jī)本原理是先進行(hang)FFT變換,确定頻譜中(zhōng)主瓣的位置,然後(hòu)再用Chirp-Z變換對主瓣(bàn)進行局部細化,從(cóng)而降低頻譜上的(de)采樣🐉間隔,達到提(tí)高渦街流量計的(de)測量精度的目的(de),從仿真實驗的結(jie)果來看,校❗正後的(de)絕對誤差基本保(bao)持在0.02Hz以内，提🌈高了(le)渦街流量⛹🏻‍♀️計的測(ce)量精度,滿足了渦(wo)街流🛀量計實際測(cè)量的需要。

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