摘要:介(jiè)紹了(le)渦街流量(liàng)計 原理(lǐ),研(yán)究了(le)渦街信号處理(lǐ)方法,設(shè)計(jì)了iir和fir數字濾(lǜ)波器,并用圖形化(huà)編程軟件(jiàn)lab-view進行仿真(zhēn)實驗,觀察了數字濾(lǜ)波器在渦街信号(hào)處(chù)理中(zhōng)的效(xiào)果。
1渦街流(liú)置計
　　流量(liàng)計量(liàng)是計量科學(xué)技(jì)術的組(zǔ)成(chéng)部分之一(yī),它(tā)與國民(mín)經.濟、國防(fáng)建設(shè)、科學研(yán)究有着(zhe)密切的關系(xì),随着我國工農業(yè)的發展(zhǎn),對流體流量的計量提(tí)出(chū)了(le)越來(lái)越多(duō)、越來越高(gāo)的要(yào)求,特别是在注重節省能(néng)源、提(tí)高經濟(jì)效(xiào)益和産(chǎn)品(pǐn)質量(liàng)的今(jīn)天，流量計量與(yǔ)測試的重要性(xìng)就更加突出了(le),并且(qiě)爲(wèi)越來越(yuè)多的人所認識(shí)。在氣體、液體、蒸(zhēng)汽的流(liú)量測量中，渦街流量計(jì)具有精度高量(liàng)程比(bǐ)較寬、線性(xìng)度較好、壓力(lì)損失小、性能可靠、測量元件結構(gòu)簡單、使用壽命(mìng)長、安裝維護方(fāng)便、适(shì)用各種介(jiè)質等一系(xì)列的優點(diǎn),在(zài)計量檢(jiǎn)測中發揮(huī)越來越大(dà)的(de)作用，有(yǒu)着廣泛的(de)應(yīng)用(yòng)前景。
2渦街(jiē)信号(hào)研究
　　理想(xiǎng)情況下,渦街流量傳(chuán)感器的輸(shū)出信号應該是正弦(xián)波，其頻(pín)率(lǜ)與流(liú)體的流速成正(zhèng)比。然(rán)而,工業現(xiàn)場的噪聲(shēng)是普(pǔ)遍存在(zài)的(de),這些噪聲(shēng)信号包括管道内流(liú)動介質的(de)湍流、脈動(dòng)、流場的不穩定及不(bú)均勻性對(duì)渦街發生體施(shī)加不規(guī)則的附(fù)加作(zuò)用(yòng)力而産(chǎn)生(shēng)的(de)流(liú)體流動(dòng)噪聲。當規則渦(wō)街産生後(hòu),在工作信(xìn)号(hào)上會叠加一種1/5到1/10渦街(jiē)頻率的流體低(dī)頻擺(bǎi)動噪聲,或輸送流體(tǐ)的管(guǎn)道偶(ǒu)爾受到外(wài)力撞擊(jī),會(huì)産生(shēng)随(suí)機(jī)振動噪聲(shēng);以及各種.動(dòng)力(lì)源,如水泵、壓縮(suō)機等(děng)的振(zhèn)動由管道傳(chuán)遞(dì)到傳感器上(shàng),造(zào)成渦(wō)街發(fā)生體(tǐ)上産生附加的(de)慣性(xìng)應力,形成的振(zhèn)動噪(zào)聲。因此，實際的渦(wō)街(jiē)傳感(gǎn)器的(de)輸(shū)出(chū)信号(hào)遠非(fēi)理想的正(zhèng)弦波信(xìn)号,而是(shì)一個(gè)混有強噪(zào)聲的混合信号(hào),它是由兩部分(fèn)信号(hào)組成:一是(shì)流速産(chǎn)生的渦(wō)街信号s(t),二是幹(gàn)擾引起的噪聲(shēng)信号n(t),即實(shí)際的渦街信号(hào)y(t)=s(t)+n(t),其中(zhōng)噪聲(shēng)信号中又(yòu)含有确定性分(fèn)量(liàng)和随(suí)機(jī)分量(liàng)。随機分量可認(rèn)爲是服從(cóng)高斯(sī)分布的白噪聲信号,而确定性(xìng)分量是由流體(tǐ)低頻擺動或動(dòng)力源振動(dòng)引起(qǐ),獨立(lì)于(yú)渦(wō)街信(xìn)号,可由另-一個(gè)正弦信号來模拟。因此，渦街傳(chuán)感器的(de)輸(shū)出信号y(t)可(kě)以(yǐ)用下面(miàn)的式子近似表示:
 
　　式中:ao，fo,q。分(fèn)别表(biǎo)示渦街(jiē)信号s(t)的幅值(zhí)、頻率和初(chū)始相位;a1，f1,q1分别表(biǎo)示噪(zào)聲信(xìn)号n(t)中(zhōng)諧波幹擾(rǎo)分量(liàng)的幅值、頻率和初始相位;d表示(shì)噪聲信号n(t)中的(de)高斯(sī)分(fèn)布白噪(zào)聲(shēng)會(huì)疊加在渦(wō)街信号中,使測(cè)量結果産生較(jiào)明顯的誤差。所以,選(xuǎn)用适當的(de)數(shù)字信号處方(fāng)法去除信(xìn)号中(zhōng)噪聲的幹擾,最(zuì)大程(chéng)度的複現流速(sù)信号,是進行渦街信号處(chù)理的主要任(rèn)務(wù)。
3數字濾波器的(de)設計
　　用(yòng)窗函數(shù)法設計fir數(shù)字濾(lǜ)波(bō)器就(jiù)是用有(yǒu)限長的脈沖響(xiǎng)應序列(liè)來(lái)逼近無限長的脈沖(chòng)響應序列(liè)。基本(běn)設計思想爲:首(shǒu)先選定(dìng)一個理(lǐ)想的(de)選頻(pín)濾波(bō)器,然後(hòu)截(jié)取它的脈(mò)沖響應得到(dào)線性相(xiàng)位和(hé)因果的fir濾波器(qì)。因此,這種(zhǒng)方法(fǎ)的重(zhòng)點(diǎn)是選擇(zé)-一個合适的窗函數(shù)和理想濾(lǜ)波器(qì)。一個理(lǐ)想低通(tōng)濾波器的(de)頻率響應(yīng)爲:
 
　　其(qí)中,;wc是(shì)濾波器的(de)截止頻率(lǜ),a爲采(cǎi)樣延遲(chí)這個濾(lǜ)波器(qì)的脈(mò)沖響應具(jù)有(yǒu)無限持(chí)續時間(jiān),它(tā)由下(xià)式給定:
 
　　注意,hc(n)關(guān)于a對稱(chēng),這一點對于(yú)線性相位濾波器是(shì)有用的。
　　爲了從hd(n)得到(dào)一個fir濾波器,必(bì)須同(tóng)時在兩(liǎng)邊截取(qǔ)hd(n)。而要得到-一個(gè)因果的線性相(xiàng)位濾(lǜ)波器(qì),且它(tā)h(n)的長(zhǎng).度爲(wèi)m,這種操作(zuò)叫做“加窗”,則h(n)可(kě)以看(kàn)作是hd(n)與窗(chuāng)函數w(n)的乘(chéng)積:根(gēn)據w(n)的(de)不同定義，可以(yǐ)得到各(gè)種(zhǒng)不同(tóng)的窗結構(gòu)，包括(kuò)矩形(xíng)窗、三(sān)角型(xíng)窗、漢(hàn)甯(níng)窗、海明窗(chuāng)、布萊(lái)克曼窗(chuāng)等,這裏采用的(de)是海(hǎi)明窗(chuāng)進行(háng)fir數字濾波器的(de)設計(jì)。海明窗這(zhè)種窗(chuāng)函數是漢(hàn)甯窗的(de)一種(zhǒng)變形,它的形(xíng)狀也(yě)相似于一(yī)個餘(yú)弦曲線。可定義(yì)爲:
 
　　窗函(hán)數設計(jì)fir濾波(bō)器的(de)步驟(zhòu):
1)根據技術要求(qiú)确定待求濾波器的單位(wèi)取樣(yàng)hd(n)。如果給出待求(qiú)濾波器的(de)頻率(lǜ)響應(yīng)爲hd(ejw),那麽單(dān)位取樣(yàng)響應用下式求出:
 
2)據對(duì)過渡(dù)帶及阻帶(dài)衰減的要求,選(xuǎn)擇窗函數的形式，并估計窗口(kǒu)長度n。
3)計算濾波(bō)器的單(dān)位取樣(yàng)響應h(n)。
4)驗算(suàn)技術(shù)指标是否滿足(zú)要求。設計出的濾波器頻率響應用下式計算(suàn):
 
　　計算(suàn)上式時可(kě)以用(yòng)fft算(suàn)法(fǎ)。如果h(ejw)不滿足要求,根據具體情況重(zhòng)複2,3,4步,直到滿足(zú)要求(qiú)。
　　流速(sù)信号(hào)中存在(zài)大(dà)量的(de)噪音幹(gàn)擾信号(hào),由管道振動、外界振(zhèn)動(dòng)引起的(de)幹擾信(xìn)号(hào),還有(yǒu)50hz交流電的幹擾(rǎo)信号(hào),真(zhēn)正的現(xiàn)場存在的幹擾(rǎo)要比這些(xiē)強得(dé)多,也就是(shì)使用(yòng)捕捉數字脈沖(chòng)的檢(jiǎn)測(cè)方式不(bú)能檢測出低流(liú)速下的信号,這(zhè)些信号都對流速的(de)測量,特别是低流速的測量産生(shēng)很(hěn)壞的(de)影響。所以(yǐ)必須(xū)對原(yuán)始信号進(jìn)行處理。從數字濾波前(qián)後的流(liú)速信号(hào)波(bō)形對比可以(yǐ)看出，濾(lǜ)波後的波形(xíng)要平滑(huá)的多(duō),也就(jiù)是将大部(bù)分的(de)噪音信号去除了,這(zhè)樣就可以方便(biàn)進(jìn)行(háng)計算(suàn)，得出流速(sù)值。從(cóng)數字(zì)濾(lǜ)波後的(de)波形(xíng)圖可以看出(chū),iir濾(lǜ)波和fir濾波(bō)都能夠達(dá)到(dào)不錯的效(xiào)果(guǒ)，都可(kě)以完成流(liú)速信(xìn)号的檢測,可以(yǐ)根據它們的适(shì)用場合和适用(yòng)條件(jiàn)不同(tóng),決定(dìng)選用具體(tǐ)的濾(lǜ)波方法，達到檢(jiǎn)測流(liú)速信号的(de)效果。

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