摘要:傳統(tǒng)渦街流量計(jì)由于抗干擾性差、測(cè)量精度低等難以滿足實(shí)際測(cè)量的需求,開(kāi)發(fā)抗擾型高渦街流量計(jì)已成為當(dāng)前流量測(cè)量領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種嵌入式渦街流量計(jì),給出了硬件組成結(jié)構(gòu)和相關(guān)電路原理圖;并在信號(hào)處理算法上,采用Chirp-Z變換的頻譜校正方法,對(duì)經(jīng)FFT變換后的渦街信號(hào)的頻譜主瓣進(jìn)行局部細(xì)化,從而在運(yùn)算量增加不多的情況下,提高了渦街流量計(jì)的測(cè)量精度。并通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該頻譜校正方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:該方法具有校正精度高,響應(yīng)速度快和使用靈活的特點(diǎn)。
0引言
渦街流量計(jì)廣泛應(yīng)用于過(guò)程測(cè)量和控制儀表中。但在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng),由于各種機(jī)械振動(dòng)和流場(chǎng)的不穩(wěn)定,使得渦街信號(hào)中.摻雜了各種噪聲和干擾,不能有效提取準(zhǔn)確的渦街頻率信號(hào),影響了流量計(jì)的測(cè)量精度。隨著單片機(jī)和DSP發(fā)展,國(guó)內(nèi)外專家相繼提出采用各種數(shù)字信號(hào)處理的有關(guān)算法來(lái)處理渦街信號(hào),其中FFT因其方法直觀,易于編程實(shí)現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用,但由于FFT的柵欄效應(yīng)，使得直接采用FFT變換所獲得的頻譜具有固定的采樣間距△f(△f=Fs/N,為系統(tǒng)分辨率),從而產(chǎn)生最大為0.5Fs/N的頻率測(cè)量誤差。為了提高系統(tǒng)分辨率，在相同的采樣點(diǎn)數(shù)下，就必須減小采樣頻率,而采樣頻率又受到香農(nóng)采樣定理的約束;若不改變采樣頻率,只能增加采樣點(diǎn)數(shù)N,又會(huì)增加數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和計(jì)算量,降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。可見(jiàn),單純用FFT很難進(jìn)一步提高測(cè)量精度,只有對(duì)FFT的結(jié)果進(jìn)行一定的改進(jìn)和校正,才能提取更精確的頻率、幅值和相位信息。為此設(shè)計(jì)一種嵌人式渦街流量計(jì),在算法上利用Z平面上的一段螺旋線做等間隔采樣的Z變換,在局部頻段內(nèi)進(jìn)行頻譜細(xì)化,以達(dá)到進(jìn)一步提高測(cè)量精度的目的。
1渦街流計(jì)工作原理與系統(tǒng)組成
1.1渦街流量h計(jì)工作原理
渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)，即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體{渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體)，就會(huì)在其下流兩側(cè)產(chǎn)生2列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街,其漩渦頻率正比于來(lái)流速度:
F=Stʋ/D
式中:F為單列漩渦頻率,Hz;D為漩渦發(fā)生體寬度,m;ʋ為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;St為特勞哈爾數(shù),無(wú)量綱,St的值與漩渦發(fā)生體寬度D和雷諾數(shù)Re有關(guān)。
1.2硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
根據(jù)渦街流量計(jì)的特點(diǎn)和數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算要求,選擇了dsPIC30F6012單片機(jī)作為核心部件,它是一種16位微處理器。其內(nèi)部集成有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP內(nèi)核,當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率為最高120MHz時(shí),進(jìn)行1次16bitx16bit運(yùn)算為8.3ns等特點(diǎn)。系統(tǒng)組成主要包括:檢測(cè)電路、放大電路、顯示電路、通信接口電路等,其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。渦街傳感器采集流量信號(hào),壓力、溫度傳感器采集流體溫度、壓力信號(hào)對(duì)流量信號(hào)加以實(shí)時(shí)補(bǔ)償和修正。
1.3前置放大器電路設(shè)計(jì)
前置放大器由電荷/電壓轉(zhuǎn)換器、電壓放大器、低通濾波器組成。采用雙端輸人的電荷/電壓轉(zhuǎn)換器,它把探頭壓電晶體輸出的交變電荷信號(hào)變換成與電荷量成正比的電壓信號(hào)。電壓放大器則利用同相輸人的放大器來(lái)得到幅度適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)。設(shè)置低通濾波器的作用是為了消除渦街信號(hào)中夾帶的復(fù)雜噪聲。前置放大器具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。
2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1渦街流量計(jì)信號(hào)采集和處理算法
N點(diǎn)FFT計(jì)算的頻譜實(shí)際上是Z平面單位圓上的N點(diǎn)等間隔采樣,Chirp-Z變換(即CZT)是Z平面螺旋線周線上Z變換的等間隔取樣,這些取樣在螺旋線的某--部分上按等角度分布。具體地說(shuō),令x(n)表示N點(diǎn)序列,X(z)表示其Z變換,而利用CZT算法,可以計(jì)算給定點(diǎn)z的X(z),N點(diǎn)x(n)的Chirp-Z變換為:
這里ƒ(n)和h(n)的離散卷積可以用ƒ(n)和h(n)的適當(dāng)段的圓周卷積來(lái)實(shí)現(xiàn)，而圓周卷積可用FFT的方法求得。式(3)的計(jì)算流程可用圖3所示的線性系統(tǒng)來(lái)表示:
2.2處理算法實(shí)現(xiàn)步驟
CZT變化的具體步驟如下:
(1)給定采樣數(shù)據(jù)x(n),信號(hào)長(zhǎng)度N,信號(hào)的采樣頻率Fs;
(2)對(duì)x(n)先做FFT變換,確定頻譜的頻段;
(3)確定待分析頻段的起始頻率ƒb,頻寬ƒw,取樣點(diǎn)數(shù)M以.及要達(dá)到的頻率分辨力△ƒ,后3個(gè)參數(shù)滿足△ƒ"=ƒw/(M-1);
(4)設(shè)A0=1,W0=1,00=2πƒ,/Fs,φ0=2π△ƒ"/Fs做CZT;
(5)分析變換結(jié)果,包括譜峰位置，大小和相位等。
3系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
3.1渦街信號(hào)模型的建立
理論上渦街流量計(jì)的輸出為正弦波,而實(shí)際的輸出信號(hào)中往往含有各種不同的噪聲和干擾成分,但在信號(hào)不被干擾淹沒(méi)的情況下,其主要能量仍集中在有用的渦街頻率點(diǎn)上。因此,根據(jù)渦街流量計(jì)檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和噪聲分析建立具有以下形式的渦街信號(hào)模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
式中:ƒ1為信號(hào)頻率;ƒ2為周期性噪聲頻率;A1<A2;randn(size(t))為高斯白噪聲。
對(duì)于某一固定口徑的流量計(jì),其量程比一般為1:10,以DN50為例，其氣體和液體的頻率測(cè)量范圍分別為:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數(shù)據(jù)由某儀表廠提供)，而包含于.渦街信號(hào)的周期性噪聲主要的出現(xiàn)在40Hz、50Hz至幾百Hz的頻帶內(nèi)文中的仿真實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)氣體流量的頻率為例。
3.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1為76.65~878.48Hz,ƒ2為為諧波干擾頻率。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別為利用FFT和CZT變換兩種方法來(lái)提取渦街信號(hào)的主頻。按照建立的渦街信號(hào)模型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信號(hào)在時(shí)域上的波形如圖4所示。從圖中可以看出,信號(hào)中混疊著各種噪聲和干擾,且渦街信號(hào)頻率越低，噪聲干擾越明顯。
對(duì)渦街信號(hào)做FFT變換,并在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真,得到圖5所示的頻譜圖,圖中譜峰值最大的即為渦街信號(hào)的頻率值,將圖5局部放大得到圖6。從圖6中可以看出:渦街信號(hào)的頻率大概在368Hz附近。
在FFT變換的基礎(chǔ)上,先確定頻譜中主瓣的位置(仿真實(shí)驗(yàn)中取最大值和次最大值之間作為局部放大的主瓣位置),然后在此區(qū)間進(jìn)行CZT變換,仿真結(jié)果如圖7所示:
渦街信號(hào)的頻率在364.24Hz附近,誤差為0.03Hz,與只采用FFT變換的結(jié)果相比,測(cè)量精度明顯提高。
用同樣的方法,通過(guò)對(duì)待檢測(cè)的氣體流量輸出信號(hào)頻率的各頻段各取2個(gè)頻率點(diǎn),共8組數(shù)據(jù),進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),將FFT方法和CZT方法進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，經(jīng)CZT方法校正后的絕對(duì)誤差基本控制在0.02Hz內(nèi),精度大大提高。
5結(jié)束語(yǔ)
在渦街流量計(jì)中采用Chirp-Z變換的頻譜校正方法來(lái)提高的測(cè)量精度,該方法的基本原理是先進(jìn)行FFT變換,確定頻譜中主瓣的位置,然后再用Chirp-Z變換對(duì)主瓣進(jìn)行局部細(xì)化,從而降低頻譜上的采樣間隔,達(dá)到提高渦街流量計(jì)的測(cè)量精度的目的,從仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看,校正后的絕對(duì)誤差基本保持在0.02Hz以內(nèi)，提高了渦街流量計(jì)的測(cè)量精度,滿足了渦街流量計(jì)實(shí)際測(cè)量的需要。
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