摘(zhai)要:介(jie)紹了渦街流量(liang)計 原(yuan)理,研(yan)究了渦街(jie)信号處理(li)方法(fa),設計(ji)了IIR和FIR數字濾波(bo)器,并(bing)用圖形(xing)化(hua)編程軟件(jian)Lab-VIEW進行(hang)仿真(zhen)實驗,觀(guan)察(cha)了數(shu)字濾(lü)波(bo)器(qi)在渦(wo)街信号處理中的效(xiao)果。
1渦街流(liu)置計
　　流量(liang)計量(liang)是計量科學技(ji)術的(de)組成(cheng)部分之一(yi),它與(yu)國民(min)經.濟(ji)、國防(fang)建設(she)、科學(xue)研(yan)究有着(zhe)密切的(de)關系,随(sui)着我(wo)國工農業(ye)的發(fa)展,對流體(ti)流量(liang)的計量提(ti)出了越(yue)來越多(duo)、越來(lai)越高的要(yao)求,特(te)别是(shi)在注重節(jie)省能源、提(ti)高經濟(ji)效(xiao)益和産品(pin)質(zhi)量(liang)的今(jin)天，流(liu)量計(ji)量與(yu)測試(shi)的重要性(xing)就更加(jia)突出了,并且(qie)爲(wei)越(yue)來越(yue)多的人所認識(shi)。在氣(qi)體、液體、蒸(zheng)汽的流量(liang)測量(liang)中，渦(wo)街流(liu)量計(ji)具有(you)精(jing)度(du)高量(liang)程比(bi)較寬、線性(xing)度較好、壓(ya)力損(sun)失小、性能(neng)可靠(kao)、測量(liang)元(yuan)件結構簡單(dan)、使用壽命(ming)長、安裝維(wei)護方(fang)便、适(shi)用各種介(jie)質等一(yi)系(xi)列的優點,在計量檢(jian)測中(zhong)發揮越來(lai)越大(da)的作用，有(you)着廣泛的應用(yong)前景(jing)。
2渦(wo)街信号(hao)研究
　　理想(xiang)情況下,渦街流量傳(chuan)感器(qi)的輸出信(xin)号應(ying)該(gai)是正弦(xian)波，其頻(pin)率與流(liu)體的(de)流(liu)速(su)成正(zheng)比。然(ran)而,工(gong)業現(xian)場的(de)噪聲是普(pu)遍存在的(de),這些噪聲信号包括(kuo)管道内(nei)流(liu)動介(jie)質的湍(tuan)流(liu)、脈動(dong)、流場的不穩定(ding)及不均勻性對(dui)渦街發(fa)生(sheng)體施(shi)加不(bu)規(gui)則的附(fu)加作用力而産(chan)生的(de)流體流動(dong)噪聲。當規(gui)則渦(wo)街産(chan)生後,在工(gong)作信号(hao)上(shang)會叠(die)加一種1/5到(dao)1/10渦街(jie)頻率的流(liu)體低(di)頻擺(bai)動噪聲,或(huo)輸送流體(ti)的管(guan)道偶(ou)爾受到外(wai)力撞(zhuang)擊,會(hui)産生随機振動噪聲(sheng);以及(ji)各種(zhong).動力源,如水(shui)泵(beng)、壓縮(suo)機等的振(zhen)動由(you)管道傳(chuan)遞(di)到傳(chuan)感器上,造成渦(wo)街發(fa)生體上産(chan)生附加的慣性(xing)應力(li),形成(cheng)的振(zhen)動噪聲。因(yin)此，實(shi)際的(de)渦街傳感(gan)器的輸(shu)出(chu)信号(hao)遠非(fei)理(li)想的正(zheng)弦波信号(hao),而是(shi)一個混有強噪(zao)聲的混(hun)合(he)信号,它是(shi)由(you)兩部分(fen)信号(hao)組成(cheng):一是(shi)流速(su)産(chan)生的渦(wo)街信号(hao)S(t),二(er)是幹(gan)擾引起的噪聲(sheng)信号(hao)N(t),即實(shi)際的渦街(jie)信号(hao)Y(t)=S(t)+N(t),其中(zhong)噪聲信号(hao)中又(you)含有(you)确定性分(fen)量和(he)随(sui)機分量。随機分量(liang)可認(ren)爲是(shi)服從(cong)高斯分布(bu)的白噪聲(sheng)信号,而确(que)定性(xing)分量是由(you)流體(ti)低頻擺(bai)動(dong)或動(dong)力源(yuan)振(zhen)動(dong)引起(qi),獨立(li)于(yu)渦(wo)街信(xin)号,可(ke)由(you)另-一個(ge)正弦(xian)信号來模(mo)拟。因(yin)此(ci)，渦(wo)街傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出信号Y(t)可以用下面(mian)的式子(zi)近似表(biao)示:
 
　　式(shi)中:Ao，fo,Q。分别表(biao)示渦街(jie)信(xin)号S(t)的(de)幅值(zhi)、頻(pin)率(lü)和初(chu)始相位;A1，f1,Q1分别表示噪(zao)聲信号N(t)中(zhong)諧波幹擾分量(liang)的幅(fu)值(zhi)、頻(pin)率和(he)初始相位;d表示(shi)噪聲(sheng)信号N(t)中的(de)高斯分(fen)布(bu)白噪(zao)聲會疊加在渦(wo)街信号中(zhong),使測(ce)量結(jie)果産生較(jiao)明顯的誤差。所(suo)以,選(xuan)用(yong)适(shi)當的(de)數字(zi)信号(hao)處方(fang)法去(qu)除(chu)信号中(zhong)噪聲的(de)幹(gan)擾,最大程(cheng)度(du)的複現(xian)流速(su)信号(hao),是進(jin)行渦(wo)街信(xin)号處(chu)理的主(zhu)要任務(wu)。
3數字(zi)濾(lü)波器的(de)設計
　　用窗(chuang)函數法設計FIR數字濾(lü)波器(qi)就是用有(you)限長(zhang)的脈沖響(xiang)應序(xu)列(lie)來(lai)逼近無限(xian)長的脈沖(chong)響應序(xu)列(lie)。基本(ben)設計(ji)思想爲:首(shou)先選定一個理想的(de)選頻濾波(bo)器,然後(hou)截取它(ta)的脈(mo)沖響應得(de)到線(xian)性相位和(he)因果(guo)的FIR濾(lü)波器(qi)。因此(ci),這種方法(fa)的重(zhong)點(dian)是選擇(ze)-一個(ge)合适的窗函數(shu)和理(li)想濾(lü)波器。一個(ge)理想(xiang)低通(tong)濾(lü)波(bo)器的(de)頻率響(xiang)應(ying)爲:
 
　　其中,;wc是(shi)濾(lü)波器的(de)截止(zhi)頻率(lü),a爲采(cai)樣延(yan)遲(chi)這個濾(lü)波器的(de)脈(mo)沖響應具有無(wu)限持(chi)續時(shi)間(jian),它由下式給(gei)定:
 
　　注意,hc(n)關(guan)于a對稱(cheng),這(zhe)一點(dian)對于線(xian)性相位(wei)濾波器(qi)是(shi)有用(yong)的。
　　爲(wei)了(le)從hd(n)得到(dao)一個FIR濾波(bo)器,必(bi)須同(tong)時在兩邊(bian)截取hd(n)。而(er)要(yao)得到(dao)-一個(ge)因果的線(xian)性相位濾(lü)波器(qi),且它(ta)h(n)的(de)長(zhang).度爲(wei)M,這種(zhong)操作(zuo)叫做“加窗(chuang)”,則h(n)可(ke)以看(kan)作是hd(n)與窗(chuang)函數w(n)的乘(cheng)積:根(gen)據w(n)的(de)不同(tong)定義(yi)，可以(yi)得到(dao)各(ge)種不同(tong)的窗(chuang)結構(gou)，包括(kuo)矩形窗、三(san)角型(xing)窗、漢甯(ning)窗(chuang)、海明(ming)窗、布萊(lai)克曼窗(chuang)等,這裏采(cai)用的(de)是海(hai)明(ming)窗進行(hang)FIR數字濾波(bo)器的(de)設計(ji)。海(hai)明(ming)窗這(zhe)種窗(chuang)函數是漢(han)甯窗(chuang)的一種變(bian)形,它(ta)的形(xing)狀也相似(si)于一(yi)個餘(yu)弦曲線。可(ke)定義(yi)爲:
 
　　窗(chuang)函(han)數(shu)設計(ji)FIR濾波器(qi)的步驟(zhou):
1)根據(ju)技(ji)術(shu)要求(qiu)确定待求(qiu)濾波(bo)器的(de)單位取樣(yang)hd(n)。如果給出(chu)待求濾波(bo)器的頻率(lü)響應爲(wei)Hd(ejw),那(na)麽單位取(qu)樣(yang)響應用(yong)下式(shi)求(qiu)出(chu):
 
2)據對過渡(du)帶及阻帶(dai)衰減(jian)的要(yao)求,選擇窗函(han)數(shu)的形(xing)式，并(bing)估計(ji)窗口(kou)長度n。
3)計算濾波(bo)器的(de)單位(wei)取樣響應h(n)。
4)驗算技術(shu)指标是(shi)否滿足(zu)要求(qiu)。設計出的(de)濾波器頻率響應用(yong)下式計算(suan):
 
　　計算上式時可以用(yong)FFT算法。如果(guo)H(ejw)不滿足要(yao)求,根(gen)據具體(ti)情況重(zhong)複2,3,4步(bu),直(zhi)到滿足要求(qiu)。
　　流速信号(hao)中存在(zai)大(da)量的噪音(yin)幹擾信号(hao),由管道(dao)振動、外(wai)界振動引(yin)起的(de)幹擾信号(hao),還有50Hz交流(liu)電(dian)的(de)幹擾(rao)信号,真正(zheng)的現場存(cun)在的幹擾(rao)要比(bi)這些(xie)強得(de)多,也就(jiu)是(shi)使用(yong)捕捉數字(zi)脈沖的檢(jian)測方式不(bu)能檢(jian)測出低流(liu)速下的(de)信(xin)号,這(zhe)些信(xin)号都對流速的(de)測(ce)量,特别(bie)是低(di)流(liu)速的測量産(chan)生(sheng)很壞的(de)影響。所以(yi)必須(xu)對原(yuan)始信号進(jin)行處理。從數字(zi)濾波(bo)前後的流(liu)速信号波形對比可(ke)以(yi)看出，濾(lü)波後的波形要平滑(hua)的多,也就(jiu)是将(jiang)大部(bu)分的噪音(yin)信(xin)号去除(chu)了,這樣就(jiu)可以(yi)方便(bian)進行(hang)計算(suan)，得出流速(su)值。從(cong)數字濾波後的(de)波形(xing)圖可(ke)以看(kan)出,IIR濾波(bo)和FIR濾波(bo)都能(neng)夠(gou)達(da)到不錯的效(xiao)果(guo)，都可(ke)以完成(cheng)流速信(xin)号的(de)檢(jian)測,可以(yi)根據它(ta)們的适(shi)用場合和适用(yong)條件(jian)不同,決定(ding)選用(yong)具(ju)體的濾(lü)波方法(fa)，達到檢測流(liu)速(su)信号的(de)效果。

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