摘要(yào):傳統(tǒng)渦街(jiē)流量(liàng)計(jì)
由于抗幹(gàn)擾性差(chà)、測量(liàng)精度(dù)低(dī)等難以滿足(zú)實(shí)際(jì)測量(liàng)的需求,開發抗(kàng)擾型(xíng)高渦街流(liú)量(liàng)計已成(chéng)爲當(dāng)前流(liú)量測(cè)量(liàng)領(lǐng)域的重要發展方向。針(zhēn)對現有産品存在(zài)的問(wèn)題,設計(jì)了(le)一種(zhǒng)嵌入式(shì)渦街(jiē)流(liú)量計,給出了硬件組成結(jié)構和(hé)相關(guān)電(diàn)路原理(lǐ)圖;并在(zài)信号處(chù)理算法上,采用(yòng)chirp-z變換的頻譜校(xiào)正方法,對經fft變(biàn)換後的渦街信(xìn)号(hào)的頻譜主瓣(bàn)進行局部細化,從而(ér)在運(yùn)算量(liàng)增加不(bú)多的情況下,提高了渦(wō)街流量計的測量精度。并通過(guò)matlab仿真(zhēn)實驗對該頻譜校正方法(fǎ)進行有效(xiào)性驗(yàn)證。仿真(zhēn)結果表(biǎo)明:該方法(fǎ)具(jù)有(yǒu)校正精度高,響(xiǎng)應速度(dù)快和使(shǐ)用靈(líng)活(huó)的特點(diǎn)。
0引言
渦街(jiē)流量(liàng)計廣泛應(yīng)用于(yú)過程(chéng)測量和控(kòng)制儀(yí)表中。但在(zài)測量(liàng)現(xiàn)場(chǎng),由于(yú)各種機械(xiè)振動(dòng)和流場的不穩(wěn)定,使得(dé)渦街信号中.摻(chān)雜(zá)了各種噪聲和幹擾(rǎo),不(bú)能(néng)有效(xiào)提取(qǔ)準确的渦街頻(pín)率信号,影響了流量(liàng)計的測量(liàng)精度(dù)。随着單片(piàn)機和(hé)dsp發(fā)展(zhǎn),國内(nèi)外專家相繼提出采用(yòng)各(gè)種數(shù)字信(xìn)号處理的(de)有關算法(fǎ)來處(chù)理渦街(jiē)信号,其(qí)中fft因其方法(fǎ)直(zhí)觀,易于編程實(shí)現而被(bèi)廣(guǎng)泛應(yīng)用,但由(yóu)于fft的栅(shān)欄(lán)效(xiào)應，使(shǐ)得直(zhí)接采(cǎi)用fft變換所獲得的頻譜具有固(gù)定的采樣(yàng)間距△f(△f=fs/n,爲系統分(fèn)辨率),從而産生(shēng)最大(dà)爲0.5fs/n的頻率(lǜ)測量(liàng)誤差。爲了提高(gāo)系(xì)統分辨(biàn)率，在相(xiàng)同的采(cǎi)樣點(diǎn)數下(xià)，就必(bì)須減小采樣頻(pín)率,而(ér)采樣(yàng)頻率(lǜ)又受到香(xiāng)農采樣定(dìng)理(lǐ)的約束(shù);若不改變采樣(yàng)頻率,隻能增加(jiā)采樣點數(shù)n,又會(huì)增加數(shù)據的存(cún)儲量和(hé)計算量,降(jiàng)低(dī)了(le)系(xì)統的(de)實時性。可見,單純用fft很難進一步提高測量精(jīng)度,隻(zhī)有對fft的結(jié)果進行(háng)一定的(de)改進(jìn)和校(xiào)正,才(cái)能提取更(gèng)精确(què)的頻率、幅值和相位信(xìn)息。爲此設計(jì)一種嵌人(rén)式渦街流量(liàng)計,在算法上利用z平面(miàn)上的(de)一段螺旋線(xiàn)做等間(jiān)隔(gé)采樣的z變換(huàn),在局(jú)部頻(pín)段内(nèi)進行頻譜(pǔ)細化,以達到(dào)進一步(bù)提高測量(liàng)精度(dù)的(de)目的。
1渦街流(liú)計工(gōng)作原(yuán)理與(yǔ)系統組成
1.1渦街(jiē)流量h計(jì)工作原理
渦(wō)街流量計(jì)是基于(yú)卡門渦街原理制成的(de)一種流(liú)體振蕩性流量計，即在(zài)流動的流體中放置一個非流(liú)線型的對稱形狀的(de)物體(tǐ){渦街(jiē)流量傳感器中(zhōng)稱之爲漩渦發(fā)生體(tǐ))，就會(huì)在其(qí)下流兩(liǎng)側産生(shēng)2列有規律的漩渦即(jí)卡門(mén)渦街(jiē),其漩渦頻(pín)率正比于來流速度(dù):
f=stʋ/d
式中:f爲單列漩(xuán)渦頻率,hz;d爲(wèi)漩渦發生體(tǐ)寬度,m;ʋ爲漩渦(wō)發生體兩側平均流(liú)速,m/s;st爲(wèi)特勞哈爾數(shù),無(wú)量綱,st的值(zhí)與漩(xuán)渦發生(shēng)體寬度(dù)d和雷諾數re有關(guān)。
1.2硬(yìng)件系統(tǒng)組成(chéng)結構(gòu)
根據(jù)渦街(jiē)流量(liàng)計的特點(diǎn)和數(shù)字(zì)信(xìn)号處(chù)理的運(yùn)算要求(qiú),選擇了dspic30f6012單(dān)片機(jī)作爲核心部件,它是一種(zhǒng)16位微(wēi)處理器。其(qí)内部(bù)集成有1個(gè)16位cpu和(hé)1個dsp内(nèi)核,當(dāng)内部(bù)時鍾頻率爲最(zuì)高120mhz時,進行(háng)1次16bitx16bit運(yùn)算爲8.3ns等(děng)特點。系統組(zǔ)成主要包括:檢測電路、放(fàng)大電(diàn)路、顯示電(diàn)路、通信接(jiē)口電(diàn)路等,其系統組成框(kuàng)圖如圖1所(suǒ)示。渦街傳(chuán)感器(qì)采集流量信号(hào),壓力(lì)、溫(wēn)度傳感(gǎn)器采集(jí)流體溫(wēn)度、壓力信号對(duì)流量(liàng)信(xìn)号加以(yǐ)實時(shí)補償和修(xiū)正。
1.3前置放(fàng)大器(qì)電路設(shè)計
前置(zhì)放大(dà)器由電荷(hé)/電壓(yā)轉(zhuǎn)換器、電(diàn)壓放大器(qì)、低通(tōng)濾波器組成。采用雙端輸人的(de)電荷/電壓轉換器,它把探(tàn)頭壓(yā)電晶體(tǐ)輸(shū)出的(de)交變電(diàn)荷信号(hào)變換成與電荷(hé)量成(chéng)正比的電(diàn)壓信号(hào)。電壓放(fàng)大器則(zé)利(lì)用同相輸(shū)人(rén)的放大器來得到幅度适當的(de)電(diàn)壓信号。設置低(dī)通濾(lǜ)波器的作(zuò)用是(shì)爲了消除(chú)渦街信号中夾帶的(de)複雜噪聲。前置放大器具(jù)體實(shí)現電(diàn)路如圖2所(suǒ)示。
2系統的軟件設計
2.1渦街(jiē)流量(liàng)計信(xìn)号采集和(hé)處理算法(fǎ)
n點fft計(jì)算的頻譜實際(jì)上是z平面單位(wèi)圓上(shàng)的n點(diǎn)等間(jiān)隔采樣,chirp-z變換(即(jí)czt)是(shì)z平面螺旋線(xiàn)周線(xiàn)上(shàng)z變(biàn)換的(de)等間隔取樣,這些取樣(yàng)在(zài)螺旋(xuán)線的(de)某--部分上(shàng)按等角度分布。具體地說,令x(n)表(biǎo)示n點序列,x(z)表示(shì)其z變(biàn)換,而利用(yòng)czt算法,可(kě)以計算給定(dìng)點(diǎn)z的x(z),n點x(n)的(de)chirp-z變換爲(wèi):
這(zhè)裏ƒ(n)和(hé)h(n)的離(lí)散卷(juàn)積可以用ƒ(n)和h(n)的适當(dāng)段的(de)圓(yuán)周(zhōu)卷積(jī)來實現，而圓周(zhōu)卷積(jī)可用fft的方(fāng)法求得(dé)。式(shì)(3)的計(jì)算流(liú)程可用圖(tú)3所示(shì)的線(xiàn)性系統來(lái)表示(shì):
2.2處理(lǐ)算法實現(xiàn)步驟(zhòu)
czt變化的具體步驟如(rú)下:
(1)給定采(cǎi)樣數(shù)據x(n),信号長(zhǎng)度n,信(xìn)号的(de)采樣(yàng)頻率(lǜ)fs;
(2)對x(n)先(xiān)做(zuò)fft變(biàn)換,确定頻譜的(de)頻段;
(3)确定待分(fèn)析頻(pín)段的(de)起始頻率ƒb,頻寬ƒw,取樣(yàng)點數m以.及要達到的頻率(lǜ)分辨(biàn)力△ƒ,後3個參數滿(mǎn)足△ƒ"=ƒw/(m-1);
(4)設a0=1,w0=1,00=2πƒ,/fs,φ0=2π△ƒ"/fs做czt;
(5)分析變(biàn)換結果,包括譜(pǔ)峰位(wèi)置(zhì)，大小和相位(wèi)等。
3系(xì)統仿真實驗
3.1渦街信(xìn)号模(mó)型的建立(lì)
理(lǐ)論上(shàng)渦街流(liú)量計(jì)的輸出爲正弦(xián)波,而實際的輸出信(xìn)号中(zhōng)往往含有各種(zhǒng)不(bú)同的噪(zào)聲和幹擾成分,但在(zài)信号不被(bèi)幹擾淹沒(méi)的(de)情(qíng)況下,其主要能(néng)量仍(réng)集中(zhōng)在有用的(de)渦街(jiē)頻率點上(shàng)。因此(cǐ),根(gēn)據(jù)渦街流量計檢(jiǎn)測信号的特點和噪聲(shēng)分析建立具(jù)有以下形式的(de)渦街信号(hào)模型(xíng):
x(t)=a1sin2πƒ1t+a2sin2πƒ,t+randn(size(t))
式中(zhōng):ƒ1爲(wèi)信号頻(pín)率;ƒ2爲周期性噪(zào)聲頻(pín)率;a1<a2;randn(size(t))爲高斯(sī)白噪聲。
對(duì)于某(mǒu)一固(gù)定口徑的(de)流量計,其(qí)量程(chéng)比一(yī)般(bān)爲1:10,以dn50爲例，其氣體和液(yè)體的(de)頻率測量(liàng)範圍(wéi)分别(bié)爲:76.65~878.48hz,12.8~13804hz(數(shù)據由(yóu)某(mǒu)儀表廠(chǎng)提供)，而包含于.渦街(jiē)信号的周(zhōu)期性(xìng)噪聲主要(yào)的出現在(zài)40hz、50hz至幾百hz的頻(pín)帶内文(wén)中的(de)仿真實驗(yàn)以檢(jiǎn)測氣(qì)體流(liú)量的頻率爲(wèi)例(lì)。
3.2仿真實驗(yàn)結果(guǒ)
仿真實(shí)驗參數(shù)設定如下:fs=2048hz,n=256,m=100,ƒ1爲76.65~878.48hz,ƒ2爲爲諧(xié)波幹擾頻(pín)率。仿(páng)真實驗内容分(fèn)别爲(wèi)利用(yòng)fft和czt變換(huàn)兩(liǎng)種方(fāng)法來(lái)提取渦街信号的主(zhǔ)頻。按(àn)照建立的渦街(jiē)信号模型(xíng),取ƒ1=364.21hz,ƒ2=124.7hz,則(zé)渦街(jiē)信号在時(shí)域上的波形如圖4所(suǒ)示。從圖中(zhōng)可以(yǐ)看(kàn)出(chū),信号(hào)中混(hùn)疊着(zhe)各種(zhǒng)噪聲和(hé)幹(gàn)擾,且(qiě)渦街(jiē)信号(hào)頻率(lǜ)越低，噪聲幹擾(rǎo)越明顯。
對渦街(jiē)信号做fft變(biàn)換,并(bìng)在matlab環(huán)境(jìng)下進行(háng)仿真,得到圖5所示的(de)頻譜圖,圖(tú)中譜(pǔ)峰值(zhí)最大(dà)的即爲渦街信(xìn)号的頻(pín)率值,将(jiāng)圖5局(jú)部放大得(dé)到圖(tú)6。從圖6中可(kě)以看出:渦街信(xìn)号的頻率(lǜ)大概(gài)在368hz附(fù)近。
在(zài)fft變換(huàn)的基(jī)礎上,先确定頻(pín)譜中主瓣(bàn)的位置(仿真實驗中取(qǔ)最(zuì)大值(zhí)和次最大值之(zhī)間作爲局(jú)部放(fàng)大(dà)的(de)主(zhǔ)瓣(bàn)位置(zhì)),然後(hòu)在此區間進行czt變換(huàn),仿真結果(guǒ)如圖(tú)7所示(shì):
渦街信号(hào)的頻率(lǜ)在364.24hz附近,誤差(chà)爲0.03hz,與隻(zhī)采(cǎi)用fft變換的結果相比(bǐ),測量精(jīng)度明顯(xiǎn)提高。
用(yòng)同樣的方法,通過(guò)對待(dài)檢測的(de)氣體流量輸出信号頻(pín)率的各頻段各(gè)取2個頻率點,共8組數據,進行仿(páng)真實驗(yàn),将fft方法和czt方(fāng)法進行比較,結(jié)果如表1所(suǒ)示。從(cóng)表1可以看(kàn)出，經czt方法校正(zhèng)後的(de)絕對誤差(chà)基本控(kòng)制(zhì)在0.02hz内(nèi),精度(dù)大(dà)大提高。
5結束語(yǔ)
在(zài)渦街流(liú)量計中采用(yòng)chirp-z變換的頻譜校正方(fāng)法來提高的測(cè)量(liàng)精度,該方法(fǎ)的基本原(yuán)理是先進(jìn)行fft變換,确定頻譜中主瓣(bàn)的位(wèi)置,然後再用(yòng)chirp-z變(biàn)換對主瓣進(jìn)行(háng)局部(bù)細化(huà),從(cóng)而降低(dī)頻譜上的(de)采(cǎi)樣(yàng)間隔,達到(dào)提高渦街流量(liàng)計的(de)測量精(jīng)度(dù)的目(mù)的,從(cóng)仿真實驗的結果來看,校(xiào)正後的絕對誤(wù)差基本保持在(zài)0.02hz以内，提高(gāo)了渦(wō)街流量計(jì)的測(cè)量精度,滿(mǎn)足了(le)渦街(jiē)流(liú)量計實(shí)際測量(liàng)的需要(yào)。
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