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涡街流量计涡街信号处理方法详解

时间:2018/05/04来源:未知

介绍了涡街流量计原理, 研究了涡街信号处理方法, 设计了IIR和FIR数字滤波器, 并用图形化编程软件LabVIEW进行仿真实验, 观察了数字滤波器在涡街信号处理中的效果。

1 涡街流量计

流量计量是计量科学技术的组成部分之一, 它与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系, 随着我国工农业的发展, 对流体流量的计量提出了越来越多、越来越高的要求, 特别是在注重节省能源、提高经济效益和产品质量的今天, 流量计量与测试的重要性就更加突出了, 并且为越来越多的人所认识。在气体、液体、蒸汽的流量测量中, 涡街流量计具有精度高、量程比较宽、线性度较好、压力损失小、性能可靠、测量元件结构简单、使用寿命长、安装维护方便、适用各种介质等一系列的优点, 在计量检测中发挥越来越大的作用, 有着广泛的应用前景。

2 涡街信号研究

理想情况下, 涡街流量传感器的输出信号应该是正弦波, 其频率与流体的流速成正比。然而, 工业现场的噪声是普遍存在的, 这些噪声信号包括管道内流动介质的湍流、脉动、流场的不稳定及不均匀性对涡街发生体施加不规则的附加作用力而产生的流体流动噪声。当规则涡街产生后, 在工作信号上会迭加一种1/5到1/10涡街频率的流体低频摆动噪声, 或输送流体的管道偶尔受到外力撞击, 会产生随机振动噪声;以及各种动力源, 如水泵、压缩机等的振动由管道传递到传感器上, 造成涡街发生体上产生附加的惯性应力, 形成的振动噪声。因此, 实际的涡街传感器的输出信号远非理想的正弦波信号, 而是一个混有强噪声的混合信号, 它是由两部分信号组成:一是流速产生的涡街信号S (t) , 二是干扰引起的噪声信号N (t) , 即实际的涡街信号Y (t) =S (t) +N (t) , 其中噪声信号中又含有确定性分量和随机分量。随机分量可认为是服从高斯分布的白噪声信号, 而确定性分量是由流体低频摆动或动力源振动引起, 独立于涡街信号, 可由另一个正弦信号来模拟。因此, 涡街传感器的输出信号Y (t) 可以用下面的式子近似表示:

 

计算公式

 

式中:Ao, fo, Qo分别表示涡街信号S (t) 的幅值、频率和初始相位;A1, f1, Q1分别表示噪声信号N (t) 中谐波干扰分量的幅值、频率和初始相位;d表示噪声信号N (t) 中的高斯分布白噪声会叠加在涡街信号中, 使测量结果产生较明显的误差。所以, 选用适当的数字信号处方法去除信号中噪声的干扰, 最大程度的复现流速信号, 是进行涡街信号处理的主要任务。

3 数字滤波器的设计

用窗函数法设计FIR数字滤波器就是用有限长的脉冲响应序列来逼近无限长的脉冲响应序列。基本设计思想为:首先选定一个理想的选频滤波器, 然后截取它的脉冲响应得到线性相位和因果的FIR滤波器。因此, 这种方法的重点是选择一个合适的窗函数和理想滤波器。一个理想低通滤波器的频率响应为:

 

计算公式

 

其中, wc是滤波器的截止频率, a为采样延迟这个滤波器的脉冲响应具有无限持续时间, 它由下式给定:

 

计算公式

 

注意, hd (n) 关于a对称, 这一点对于线性相位滤波器是有用的。

为了从hd (n) 得到一个FIR滤波器, 必须同时在两边截取hd (n) 。而要得到一个因果的线性相位滤波器, 且它h (n) 的长度为M, 这种操作叫做“加窗”, 则h (n) 可以看作是hd (n) 与窗函数w (n) 的乘积:根据w (n) 的不同定义, 可以得到各种不同的窗结构, 包括矩形窗、三角型窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等, 这里采用的是海明窗进行FIR数字滤波器的设计。海明窗这种窗函数是汉宁窗的一种变形, 它的形状也相似于一个余弦曲线。可定义为:

 

计算公式

 

窗函数设计FIR滤波器的步骤:

1) 根据技术要求确定待求滤波器的单位取样hd (n) 。如果给出待求滤波器的频率响应为Hd (e) , 那么单位取样响应用下式求出:

 

计算公式

 

2) 据对过渡带及阻带衰减的要求, 选择窗函数的形式, 并估计窗口长度n。

3) 计算滤波器的单位取样响应h (n) 。

4) 验算技术指标是否满足要求。设计出的滤波器频率响应用下式计算:

 

计算公式

 

计算上式时可以用FFT算法。如果H (e) 不满足要求, 根据具体情况重复2, 3, 4步, 直到满足要求。

流速信号中存在大量的噪音干扰信号, 由管道振动、外界振动引起的干扰信号, 还有50 Hz交流电的干扰信号, 真正的现场存在的干扰要比这些强得多, 也就是使用捕捉数字脉冲的检测方式不能检测出低流速下的信号, 这些信号都对流速的测量, 特别是低流速的测量产生很坏的影响。所以必须对原始信号进行处理。从数字滤波前后的流速信号波形对比可以看出, 滤波后的波形要平滑的多, 也就是将大部分的噪音信号去除了, 这样就可以方便进行计算, 得出流速值。从数字滤波后的波形图可以看出, IIR滤波和FIR滤波都能够达到不错的效果, 都可以完成流速信号的检测, 可以根据它们的适用场合和适用条件不同, 决定选用具体的滤波方法, 达到检测流速信号的最佳效果。


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