摘要:介紹了渦街流量計(jì)原理,研究了渦街信號(hào)處理方法,設(shè)計(jì)了IIR和FIR數(shù)字濾波器,并用圖形化編程軟件Lab-VIEW進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),觀察了數(shù)字濾波器在渦街信號(hào)處理中的效果。
1渦街流置計(jì)
流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一,它與國(guó)民經(jīng).濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究有著密切的關(guān)系,隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,對(duì)流體流量的計(jì)量提出了越來(lái)越多、越來(lái)越高的要求,特別是在注重節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的今天，流量計(jì)量與測(cè)試的重要性就更加突出了,并且為越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)。在氣體、液體、蒸汽的流量測(cè)量中，渦街流量計(jì)具有精度高量程比較寬、線性度較好、壓力損失小、性能可靠、測(cè)量元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便、適用各種介質(zhì)等一系列的優(yōu)點(diǎn),在計(jì)量檢測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，有著廣泛的應(yīng)用前景。
2渦街信號(hào)研究
理想情況下,渦街流量傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)該是正弦波，其頻率與流體的流速成正比。然而,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲是普遍存在的,這些噪聲信號(hào)包括管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的湍流、脈動(dòng)、流場(chǎng)的不穩(wěn)定及不均勻性對(duì)渦街發(fā)生體施加不規(guī)則的附加作用力而產(chǎn)生的流體流動(dòng)噪聲。當(dāng)規(guī)則渦街產(chǎn)生后,在工作信號(hào)上會(huì)迭加一種1/5到1/10渦街頻率的流體低頻擺動(dòng)噪聲,或輸送流體的管道偶爾受到外力撞擊,會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)噪聲;以及各種.動(dòng)力源,如水泵、壓縮機(jī)等的振動(dòng)由管道傳遞到傳感器上,造成渦街發(fā)生體上產(chǎn)生附加的慣性應(yīng)力,形成的振動(dòng)噪聲。因此，實(shí)際的渦街傳感器的輸出信號(hào)遠(yuǎn)非理想的正弦波信號(hào),而是一個(gè)混有強(qiáng)噪聲的混合信號(hào),它是由兩部分信號(hào)組成:一是流速產(chǎn)生的渦街信號(hào)S(t),二是干擾引起的噪聲信號(hào)N(t),即實(shí)際的渦街信號(hào)Y(t)=S(t)+N(t),其中噪聲信號(hào)中又含有確定性分量和隨機(jī)分量。隨機(jī)分量可認(rèn)為是服從高斯分布的白噪聲信號(hào),而確定性分量是由流體低頻擺動(dòng)或動(dòng)力源振動(dòng)引起,獨(dú)立于渦街信號(hào),可由另-一個(gè)正弦信號(hào)來(lái)模擬。因此，渦街傳感器的輸出信號(hào)Y(t)可以用下面的式子近似表示:
式中:Ao，fo,Q。分別表示渦街信號(hào)S(t)的幅值、頻率和初始相位;A1，f1,Q1分別表示噪聲信號(hào)N(t)中諧波干擾分量的幅值、頻率和初始相位;d表示噪聲信號(hào)N(t)中的高斯分布白噪聲會(huì)疊加在渦街信號(hào)中,使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較明顯的誤差。所以,選用適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處方法去除信號(hào)中噪聲的干擾,最大程度的復(fù)現(xiàn)流速信號(hào),是進(jìn)行渦街信號(hào)處理的主要任務(wù)。
3數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)
用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器就是用有限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)序列來(lái)逼近無(wú)限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)序列。基本設(shè)計(jì)思想為:首先選定一個(gè)理想的選頻濾波器,然后截取它的脈沖響應(yīng)得到線性相位和因果的FIR濾波器。因此,這種方法的重點(diǎn)是選擇-一個(gè)合適的窗函數(shù)和理想濾波器。一個(gè)理想低通濾波器的頻率響應(yīng)為:
其中,;wc是濾波器的截止頻率,a為采樣延遲這個(gè)濾波器的脈沖響應(yīng)具有無(wú)限持續(xù)時(shí)間,它由下式給定:
注意,hc(n)關(guān)于a對(duì)稱(chēng),這一點(diǎn)對(duì)于線性相位濾波器是有用的。
為了從hd(n)得到一個(gè)FIR濾波器,必須同時(shí)在兩邊截取hd(n)。而要得到-一個(gè)因果的線性相位濾波器,且它h(n)的長(zhǎng).度為M,這種操作叫做“加窗”,則h(n)可以看作是hd(n)與窗函數(shù)w(n)的乘積:根據(jù)w(n)的不同定義，可以得到各種不同的窗結(jié)構(gòu)，包括矩形窗、三角型窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗等,這里采用的是海明窗進(jìn)行FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。海明窗這種窗函數(shù)是漢寧窗的一種變形,它的形狀也相似于一個(gè)余弦曲線。可定義為:
窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟:
1)根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的單位取樣hd(n)。如果給出待求濾波器的頻率響應(yīng)為Hd(ejw),那么單位取樣響應(yīng)用下式求出:
2)據(jù)對(duì)過(guò)渡帶及阻帶衰減的要求,選擇窗函數(shù)的形式，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度n。
3)計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n)。
4)驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求。設(shè)計(jì)出的濾波器頻率響應(yīng)用下式計(jì)算:
計(jì)算上式時(shí)可以用FFT算法。如果H(ejw)不滿(mǎn)足要求,根據(jù)具體情況重復(fù)2,3,4步,直到滿(mǎn)足要求。
流速信號(hào)中存在大量的噪音干擾信號(hào),由管道振動(dòng)、外界振動(dòng)引起的干擾信號(hào),還有50Hz交流電的干擾信號(hào),真正的現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾要比這些強(qiáng)得多,也就是使用捕捉數(shù)字脈沖的檢測(cè)方式不能檢測(cè)出低流速下的信號(hào),這些信號(hào)都對(duì)流速的測(cè)量,特別是低流速的測(cè)量產(chǎn)生很壞的影響。所以必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理。從數(shù)字濾波前后的流速信號(hào)波形對(duì)比可以看出，濾波后的波形要平滑的多,也就是將大部分的噪音信號(hào)去除了,這樣就可以方便進(jìn)行計(jì)算，得出流速值。從數(shù)字濾波后的波形圖可以看出,IIR濾波和FIR濾波都能夠達(dá)到不錯(cuò)的效果，都可以完成流速信號(hào)的檢測(cè),可以根據(jù)它們的適用場(chǎng)合和適用條件不同,決定選用具體的濾波方法，達(dá)到檢測(cè)流速信號(hào)的效果。
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