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            時間: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足實際測量的需求,開發抗擾型高渦街流量計已成為當前流量測量領域的重要發展方向。針對現有產品存在的問題,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FFT變換后的渦街信號的頻譜主瓣進行局部細化,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Matlab仿真實驗對該頻譜校正方法進行有效性驗證。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。
          0引言
            渦街流量計廣泛應用于過程測量和控制儀表中。但在測量現場,由于各種機械振動和流場的不穩定,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。隨著單片機和DSP發展,國內外專家相繼提出采用各種數字信號處理的有關算法來處理渦街信號,其中FFT因其方法直觀,易于編程實現而被廣泛應用,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,只能增加采樣點數N,又會增加數據的存儲量和計算量,降低了系統的實時性?梢,單純用FFT很難進一步提高測量精度,只有對FFT的結果進行一定的改進和校正,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做等間隔采樣的Z變換,在局部頻段內進行頻譜細化,以達到進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渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計,即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體{渦街流量傳感器中稱之為漩渦發生體),就會在其下流兩側產生2列有規律的漩渦即卡門渦街,其漩渦頻率正比于來流速度:
          F=Stʋ/D
            式中:F為單列漩渦頻率,Hz;D為漩渦發生體寬度,m;ʋ為漩渦發生體兩側平均流速,m/s;St為特勞哈爾數,無量綱,St的值與漩渦發生體寬度D和雷諾數Re有關。
          1.2硬件系統組成結構
            根據渦街流量計的特點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16位CPU和1個DSP內核,當內部時鐘頻率為最高120MHz時,進行1次16bitx16bit運算為8.3ns等特點。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時補償和修正。
           
          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FFT計算的頻譜實際上是Z平面單位圓上的N點等間隔采樣,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,令x(n)表示N點序列,X(z)表示其Z變換,而利用CZT算法,可以計算給定點z的X(z),N點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實現,而圓周卷積可用FFT的方法求得。式(3)的計算流程可用圖3所示的線性系統來表示:
           
          2.2處理算法實現步驟
          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,取樣點數M以.及要達到的頻率分辨力△ƒ,后3個參數滿足△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的情況下,其主要能量仍集中在有用的渦街頻率點上。因此,根據渦街流量計檢測信號的特點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驗以檢測氣體流量的頻率為例。
          3.2仿真實驗結果
            仿真實驗參數設定如下:Fs=2048Hz,N=256,M=100,ƒ1為76.65~878.48Hz,ƒ2為為諧波干擾頻率。仿真實驗內容分別為利用FFT和CZT變換兩種方法來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,則渦街信號在時域上的波形如圖4所示。從圖中可以看出,信號中混疊著各種噪聲和干擾,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環境下進行仿真,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,通過對待檢測的氣體流量輸出信號頻率的各頻段各取2個頻率點,共8組數據,進行仿真實驗,將FFT方法和CZT方法進行比較,結果如表1所示。從表1可以看出,經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
            在渦街流量計中采用Chirp-Z變換的頻譜校正方法來提高的測量精度,該方法的基本原理是先進行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,從仿真實驗的結果來看,校正后的絕對誤差基本保持在0.02Hz以內,提高了渦街流量計的測量精度,滿足了渦街流量計實際測量的需要。

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