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  時(shí)間:2024-1-25 09:06:01

嵌入式渦街流量計的設計與算法

摘要:傳統渦街流量計由于抗干擾性差、測量精度低等難以滿(mǎn)足實(shí)際測量的需求,開(kāi)發(fā)抗擾型高渦街流量計已成為當前流量測量領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。針對現有產(chǎn)品存在的問(wèn)題,設計了一種嵌入式渦街流量計,給出了硬件組成結構和相關(guān)電路原理圖;并在信號處理算法上,采用Chirp-Z變換的頻譜校正方法,對經(jīng)FFT變換后的渦街信號的頻譜主瓣進(jìn)行局部細化,從而在運算量增加不多的情況下,提高了渦街流量計的測量精度。并通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗對該頻譜校正方法進(jìn)行有效性驗證。仿真結果表明:該方法具有校正精度高,響應速度快和使用靈活的特點(diǎn)。
0引言
  渦街流量計廣泛應用于過(guò)程測量和控制儀表中。但在測量現場(chǎng),由于各種機械振動(dòng)和流場(chǎng)的不穩定,使得渦街信號中.摻雜了各種噪聲和干擾,不能有效提取準確的渦街頻率信號,影響了流量計的測量精度。隨著(zhù)單片機和DSP發(fā)展,國內外專(zhuān)家相繼提出采用各種數字信號處理的有關(guān)算法來(lái)處理渦街信號,其中FFT因其方法直觀(guān),易于編程實(shí)現而被廣泛應用,但由于FFT的柵欄效應,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,為系統分辨率),從而產(chǎn)生最大為0.5Fs/N的頻率測量誤差。為了提高系統分辨率,在相同的采樣點(diǎn)數下,就必須減小采樣頻率,而采樣頻率又受到香農采樣定理的約束;若不改變采樣頻率,只能增加采樣點(diǎn)數N,又會(huì )增加數據的存儲量和計算量,降低了系統的實(shí)時(shí)性?梢(jiàn),單純用FFT很難進(jìn)一步提高測量精度,只有對FFT的結果進(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。為此設計一種嵌人式渦街流量計,在算法上利用Z平面上的一段螺旋線(xiàn)做等間隔采樣的Z變換,在局部頻段內進(jìn)行頻譜細化,以達到進(jìn)一步提高測量精度的目的。
1渦街流計工作原理與系統組成
1.1渦街流量h計工作原理
  渦街流量計是基于卡門(mén)渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計,即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線(xiàn)型的對稱(chēng)形狀的物體{渦街流量傳感器中稱(chēng)之為漩渦發(fā)生體),就會(huì )在其下流兩側產(chǎn)生2列有規律的漩渦即卡門(mén)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)生體兩側平均流速,m/s;St為特勞哈爾數,無(wú)量綱,St的值與漩渦發(fā)生體寬度D和雷諾數Re有關(guān)。
1.2硬件系統組成結構
  根據渦街流量計的特點(diǎn)和數字信號處理的運算要求,選擇了dsPIC30F6012單片機作為核心部件,它是一種16位微處理器。其內部集成有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP內核,當內部時(shí)鐘頻率為最高120MHz時(shí),進(jìn)行1次16bitx16bit運算為8.3ns等特點(diǎn)。系統組成主要包括:檢測電路、放大電路、顯示電路、通信接口電路等,其系統組成框圖如圖1所示。渦街傳感器采集流量信號,壓力、溫度傳感器采集流體溫度、壓力信號對流量信號加以實(shí)時(shí)補償和修正。
 
1.3前置放大器電路設計
  前置放大器由電荷/電壓轉換器、電壓放大器、低通濾波器組成。采用雙端輸人的電荷/電壓轉換器,它把探頭壓電晶體輸出的交變電荷信號變換成與電荷量成正比的電壓信號。電壓放大器則利用同相輸人的放大器來(lái)得到幅度適當的電壓信號。設置低通濾波器的作用是為了消除渦街信號中夾帶的復雜噪聲。前置放大器具體實(shí)現電路如圖2所示。
 
2系統的軟件設計
2.1渦街流量計信號采集和處理算法
  N點(diǎn)FFT計算的頻譜實(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(xiàn)周線(xiàn)上Z變換的等間隔取樣,這些取樣在螺旋線(xiàn)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)的適當段的圓周卷積來(lái)實(shí)現,而圓周卷積可用FFT的方法求得。式(3)的計算流程可用圖3所示的線(xiàn)性系統來(lái)表示:
 
2.2處理算法實(shí)現步驟
CZT變化的具體步驟如下:
(1)給定采樣數據x(n),信號長(cháng)度N,信號的采樣頻率Fs;
(2)對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M以.及要達到的頻率分辨力△ƒ,后3個(gè)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)分析變換結果,包括譜峰位置,大小和相位等。
3系統仿真實(shí)驗
3.1渦街信號模型的建立
  理論上渦街流量計的輸出為正弦波,而實(shí)際的輸出信號中往往含有各種不同的噪聲和干擾成分,但在信號不被干擾淹沒(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,根據渦街流量計檢測信號的特點(diǎn)和噪聲分析建立具有以下形式的渦街信號模型:
x(t)=A1sin2πƒ1t+A2sin2πƒ,t+randn(size(t))
  式中:ƒ1為信號頻率;ƒ2為周期性噪聲頻率;A1<A2;randn(size(t))為高斯白噪聲。
  對于某一固定口徑的流量計,其量程比一般為1:10,以DN50為例,其氣體和液體的頻率測量范圍分別為:76.65~878.48Hz,12.8~13804Hz(數據由某儀表廠(chǎng)提供),而包含于.渦街信號的周期性噪聲主要的出現在40Hz、50Hz至幾百Hz的頻帶內文中的仿真實(shí)驗以檢測氣體流量的頻率為例。
3.2仿真實(shí)驗結果
  仿真實(shí)驗參數設定如下: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)驗內容分別為利用FFT和CZT變換兩種方法來(lái)提取渦街信號的主頻。按照建立的渦街信號模型,取ƒ1=364.21Hz,ƒ2=124.7Hz,則渦街信號在時(shí)域上的波形如圖4所示。從圖中可以看出,信號中混疊著(zhù)各種噪聲和干擾,且渦街信號頻率越低,噪聲干擾越明顯。
 
  對渦街信號做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:渦街信號的頻率大概在368Hz附近。
 
  在FFT變換的基礎上,先確定頻譜中主瓣的位置(仿真實(shí)驗中取最大值和次最大值之間作為局部放大的主瓣位置),然后在此區間進(jìn)行CZT變換,仿真結果如圖7所示:
 
  渦街信號的頻率在364.24Hz附近,誤差為0.03Hz,與只采用FFT變換的結果相比,測量精度明顯提高。
  用同樣的方法,通過(guò)對待檢測的氣體流量輸出信號頻率的各頻段各取2個(gè)頻率點(diǎn),共8組數據,進(jìn)行仿真實(shí)驗,將FFT方法和CZT方法進(jìn)行比較,結果如表1所示。從表1可以看出,經(jīng)CZT方法校正后的絕對誤差基本控制在0.02Hz內,精度大大提高。
 
5結束語(yǔ)
  在渦街流量計中采用Chirp-Z變換的頻譜校正方法來(lái)提高的測量精度,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變換對主瓣進(jìn)行局部細化,從而降低頻譜上的采樣間隔,達到提高渦街流量計的測量精度的目的,從仿真實(shí)驗的結果來(lái)看,校正后的絕對誤差基本保持在0.02Hz以?xún),提高了渦街流量計的測量精度,滿(mǎn)足了渦街流量計實(shí)際測量的需要。

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