杜玉環(huán)，郭迎清，薛海東，張小棟，丁 毅

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安 710072；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049；3.中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002)

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基于LabVIEW的FFT光纖渦輪流量測(cè)量系統(tǒng)研究

杜玉環(huán)1，郭迎清1，薛海東1，張小棟2，丁 毅3

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安 710072；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049；3.中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002)

光纖式渦輪流量計(jì)是一種應(yīng)用前景廣闊的流量測(cè)量裝置。文中在分析光電頻率信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，采用了FFT頻譜分析法在LabVIEW軟件中開(kāi)發(fā)了仿真測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了該方法在頻率測(cè)量應(yīng)用中具有抗干擾性強(qiáng)和高精度等優(yōu)點(diǎn)；并進(jìn)一步搭建了流量模擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)軟硬件的結(jié)合，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該流量測(cè)試系統(tǒng)能夠達(dá)到0.5%以上的測(cè)試精度。

渦輪流量計(jì)；光纖傳感器；頻率；FFT

0 引言

電磁式渦輪流量計(jì)是目前在液體流量測(cè)量中使用較為廣泛的一種測(cè)量裝置，但是它在小流量的測(cè)量中容易出現(xiàn)阻力損失大而卡死不轉(zhuǎn)的情況。而光纖傳感器近些年發(fā)展迅速，應(yīng)用十分廣泛[1-2]，因此將強(qiáng)度反射式光纖和渦輪流量計(jì)相結(jié)合為流量檢測(cè)提供了一種新思路。將光纖探頭安裝在渦輪頂端，隨著渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片將影響反射光強(qiáng)而產(chǎn)生光脈沖信號(hào)。而體積流量與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系qv=f/K，其中K為儀表系數(shù)。李質(zhì)勇等[3-5]提出了一種光纖渦輪流量計(jì)，給出了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了光纖傳感器部分，其他部件與傳統(tǒng)電磁式渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)基本相同，其中指出光纖渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)為頻率信號(hào)。因此渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的測(cè)量是否準(zhǔn)確對(duì)于流量測(cè)量十分重要。頻率的傳統(tǒng)測(cè)量方法有測(cè)頻法、測(cè)周法和測(cè)頻測(cè)周法，但對(duì)于帶有強(qiáng)干擾的周期信號(hào)，用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方法進(jìn)行測(cè)量是極其困難的，其主要原因有兩個(gè)方面：一是計(jì)數(shù)法頻率測(cè)量抗干擾能力差；二是計(jì)數(shù)法在頻率測(cè)量中信號(hào)觸發(fā)閾值的設(shè)定是一個(gè)十分難以解決的問(wèn)題，尤其是信號(hào)受到高頻噪聲和A/D轉(zhuǎn)換精度的影響而圍繞閾值信號(hào)上下波動(dòng)導(dǎo)致多計(jì)數(shù)的測(cè)量誤差[6]。查美生等[7]采用電磁式流量計(jì)，利用頻譜分析的方法對(duì)輸出的流量信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果表明此法抗干擾性和可靠性強(qiáng)，精度較高。而徐科軍等[8]在對(duì)渦街流量計(jì)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的時(shí)候，也采用了快速傅里葉變換(FFT)的功率譜分析方法在DSP中實(shí)現(xiàn)了頻率的測(cè)量。 因此，快速傅里葉變換的方法在頻率的測(cè)量中是一種行之有效的方法。一方面，頻譜分析法能夠有效抑制干擾信號(hào)對(duì)頻率測(cè)量的影響；另一方面，頻譜分析法在頻率測(cè)量時(shí)不存在觸發(fā)信號(hào)電平閾值的問(wèn)題，所以測(cè)量精度較高。

本文將在分析和研究頻譜分析法的基礎(chǔ)上，在LabVIEW環(huán)境下采用FFT方法建立頻率仿真系統(tǒng)，對(duì)于頻率可調(diào)的仿真信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量分析。進(jìn)一步，為了驗(yàn)證此法的正確性，本文將在實(shí)驗(yàn)室中搭建模擬流量信號(hào)的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)分析該測(cè)試方法在流量測(cè)量中的應(yīng)用。

1 頻譜分析法的核心

基于頻譜分析法測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的核心是傅里葉變換。根據(jù)傅里葉變換的定義，在某一頻率w下，信號(hào)的幅度譜函數(shù)反映了頻率為w的正弦分量相對(duì)值的大小。所以在渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的測(cè)量中，采集足夠長(zhǎng)的樣本信號(hào)，經(jīng)過(guò)時(shí)頻域轉(zhuǎn)換，找出信號(hào)頻域?qū)?yīng)的最大幅度譜的頻率分量，這個(gè)分量就是周期信號(hào)的基頻，即渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，而別的頻率分量則為諧波分量。將離散采樣信號(hào)由時(shí)域變換到頻域的一種常用算法是離散傅里葉變換(DFT)，由于直接采用 DFT 算法效率較低，在應(yīng)用中一般采用它的一種快速算法，即快速傅里葉變換(FFT, Fast Fourier Transformation)。

設(shè)WN=e-j2π/N,則N點(diǎn)信號(hào)序列x(n) (n=0,1,…,N-1)的DFT為

(1)

設(shè)N=r1r2，則n和k可以分解為[9]

n=n1r1+n0,n0=0,1,…,r1-1;n1=0,1,…,r2-1

k=k1r2+k0,k0=0,1,…,r2-1;k1=0,1,…,r1-1

(2)

根據(jù)式(2),x(n)和X(k)分別可以表示成x(n1,n0)和X(k1,k0)，則有式(3)。

(3)

此時(shí)，利用式(3)的總的乘數(shù)次數(shù)為M=N(r1+r2)次，比用直接計(jì)算式(1)所需的乘法次數(shù)N2少得多。再繼續(xù)這樣把N分解下去，若N可以分解為N=r1r2…rm，總的乘法次數(shù)就由N2減少至M=N(r1+r2+…rm)。

2 LabVIEW仿真系統(tǒng)的搭建與驗(yàn)證

本文在LabVIEW2010環(huán)境下搭建測(cè)頻測(cè)流量的仿真系統(tǒng)，也就是將可調(diào)頻率的仿真信號(hào)通過(guò)FFT方法轉(zhuǎn)換至頻域，從中找出基頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻率值并將其轉(zhuǎn)換成流量值顯示。LabVIEW測(cè)量系統(tǒng)的搭建包括后面板程序的搭建和前面板的界面設(shè)計(jì)。

2.1 后面板程序的搭建具體步驟

(1)仿真信號(hào)的產(chǎn)生：在LabVIEW的信號(hào)產(chǎn)生模板中找到信號(hào)發(fā)生器，使它產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，并加入高斯噪聲信號(hào)。為了方便調(diào)節(jié)頻率信號(hào)，在頻率選項(xiàng)中引出一個(gè)旋鈕控件。因此，該信號(hào)可以表示渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)光纖傳感器所輸出光電信號(hào)。

(2)FFT的實(shí)現(xiàn)方式：將產(chǎn)生的信號(hào)輸入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中，使時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)。LabVIEW與matlab的混合編程，可以通過(guò)調(diào)用LabVIEW中的matlabscript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。其中，matlabscript節(jié)點(diǎn)本身具有多輸入多輸出的特點(diǎn)，一次處理的信息量可以很大。因此在matlab中，根據(jù)FFT的數(shù)學(xué)原理，添加采樣率、采樣數(shù)等參數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)采樣、低通濾波和FFT操作處理，經(jīng)調(diào)試無(wú)誤后，導(dǎo)入到matlabscript節(jié)點(diǎn)中，然后在LabVIEW中，通過(guò)調(diào)用仿真信號(hào)，將輸出的頻率和幅頻信號(hào)通過(guò)“數(shù)組最大值與最小值”模塊處理，最終可以得到基頻信號(hào)的數(shù)值。然后再添加儀表系數(shù)輸入設(shè)置控件，將渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為所要測(cè)得的流量值通過(guò)數(shù)值輸出控件和波形圖兩種方式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。最后，在整個(gè)程序外插入while循環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)程序的連續(xù)運(yùn)行。

2.2 前面板控件的布局及界面設(shè)計(jì)

如圖1所示，界面設(shè)計(jì)有3個(gè)波形顯示圖：一個(gè)作為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬流量信號(hào)顯示的波形圖；一個(gè)作為FFT變換后產(chǎn)生的頻譜顯示波形圖；一個(gè)作為測(cè)量流量信號(hào)顯示的波形圖。添加一個(gè)旋鈕控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生信號(hào)的波形圖進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。分別添加3個(gè)數(shù)值顯示控件，實(shí)現(xiàn)輸入頻率信號(hào)、最大頻率(即轉(zhuǎn)速)信號(hào)和流量信號(hào)的數(shù)值顯示；1個(gè)數(shù)值輸入控件用以設(shè)定儀表系數(shù)的大?。?個(gè)數(shù)據(jù)保存路徑顯示控件用來(lái)顯示當(dāng)前流量數(shù)據(jù)的保存路徑和文件名；1個(gè)布爾控件可以控制是否開(kāi)始保存數(shù)據(jù)；1個(gè)指示燈控件用以指示是否正在保存數(shù)據(jù)；1個(gè)停止控件用以終止程序運(yùn)行。

圖1 仿真系統(tǒng)前面板界面圖

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

運(yùn)行所搭建的系統(tǒng)后，調(diào)節(jié)旋鈕改變仿真信號(hào)輸入的頻率值，觀察經(jīng)過(guò)FFT變換處理后輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，如表1所示。觀察頻譜圖可以看出，F(xiàn)FT方法將基頻信號(hào)和噪聲信號(hào)完全分離，不受干擾信號(hào)的影響，可以較準(zhǔn)確地提取出基頻信號(hào)。

根據(jù)FFT方法的原理，其測(cè)量頻率時(shí)的誤差來(lái)源主要有量化誤差，而該誤差是無(wú)法避免的，只能減小。參考文獻(xiàn)[10]，理論上FFT方法的最大誤差的值為

式中：fs為采樣頻率;fi為輸入信號(hào)頻率;Ns為采樣點(diǎn)數(shù)。

因此，在采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，最大誤差取決于fs/fi。若系統(tǒng)測(cè)量精度要求在0.5%，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)Ns=1 000，則fs/fi=5。當(dāng)前系統(tǒng)fi上限輸入頻率為500 Hz，則fs=2 500 Hz。另一方面，滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理的前提下，采樣頻率越高，信號(hào)分辨率就越高，所以應(yīng)該盡量取大些。實(shí)際應(yīng)用中，一般取最高分析頻率的5～10倍。該仿真系統(tǒng)中取fs=2 500是合理的。

按照以上參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果參見(jiàn)表1。在0～500 Hz的頻率范圍內(nèi)隨機(jī)取值，測(cè)量誤差都在0.5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該方法的可靠性強(qiáng)，有較高的測(cè)量精度。

表1 輸入頻率與輸出頻率仿真數(shù)據(jù)表

3 流量模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證

基于對(duì)FFT算法和基于LabVIEW的流量仿真系統(tǒng)的研究，本文進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)驗(yàn)證光纖流量測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)搭建光纖渦輪流量模擬測(cè)試系統(tǒng)。

圖2 光纖渦輪流量測(cè)量模擬測(cè)試系統(tǒng)圖

液體沖擊渦輪葉片使其轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)為光纖探頭所拾取，經(jīng)過(guò)硬件電路轉(zhuǎn)換處理后將電壓信號(hào)傳入高速數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室條件下，渦輪被流體沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，選用一套可控轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬。該試驗(yàn)臺(tái)的渦輪有32個(gè)葉片，它被安裝在軸承上，用轉(zhuǎn)速控制儀來(lái)調(diào)整其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。傳感器的安裝如圖3所示，傳感器探頭為帶螺紋部件，探頭固定件上有相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，可將傳感器固定在固定架上，垂直正對(duì)模擬葉片頂端面；同時(shí)，通過(guò)探頭進(jìn)入螺紋孔的深度可調(diào)解傳感探頭的光纖出射端與葉片頂端面的相對(duì)位置。為了保護(hù)探頭，光纖出射端一般凹入螺紋孔0.5 mm，以防止探頭被葉片損傷。

圖3 光纖探頭安裝示意圖

硬件系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器，放大模塊和濾波模塊，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集卡采用DAQCard-6024E。DAQCard-6024E是高性能E系列數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率可達(dá)200 kS/s、12位分辨率、16路單端模擬輸入。同時(shí)提供數(shù)字觸發(fā)、2路12位模擬輸出、2個(gè)24位20 MHz計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和8條數(shù)字I/O線。數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)方式使用NI公司提供的LabVIEW DAQ庫(kù)直接對(duì)端口進(jìn)行操作，即內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。在使用時(shí)需要安裝相應(yīng)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)。然后就可以在驅(qū)動(dòng)程序的用戶(hù)接口MAX(Measurement & Automation Explorer)中對(duì)硬件進(jìn)行各種必要的設(shè)置和測(cè)試。

圖4 硬件系統(tǒng)模塊圖

對(duì)于LabVIEW功能方面，基于仿真系統(tǒng)，將仿真信號(hào)替換為PC-DAQ采集的實(shí)際采集的電壓信號(hào)，添加了表盤(pán)控件能夠直觀顯示流量的變化范圍。

將轉(zhuǎn)速控制儀設(shè)置轉(zhuǎn)速為124 r/min，則渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際輸入頻率應(yīng)是66.13 Hz，運(yùn)行界面如圖5所示，其測(cè)量結(jié)果顯示渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為66.05 Hz，故頻率測(cè)量的誤差為0.016%，說(shuō)明該方法在實(shí)際測(cè)量中能夠有效實(shí)現(xiàn)高精度頻率測(cè)量。

圖5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面

實(shí)驗(yàn)表明該套測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量效果較好，但在改善實(shí)驗(yàn)室測(cè)量環(huán)境能夠使測(cè)量誤差進(jìn)一步減小，主要考慮兩個(gè)方面：(1)轉(zhuǎn)速控制器的不穩(wěn)定造成的誤差：將轉(zhuǎn)速設(shè)置為某值的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)±1的跳動(dòng)；(2)光干擾造成的誤差：光纖傳出的光信號(hào)易受其他同波長(zhǎng)的光干擾，需要全密封裝置。

由于本測(cè)試系統(tǒng)重點(diǎn)著眼于應(yīng)用在流量測(cè)量上，其中也添加了流量轉(zhuǎn)換功能與顯示功能，可以在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上方便地移植到實(shí)際流量測(cè)量的應(yīng)用中。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，得出以下結(jié)論：

(1)所采用的FFT方法應(yīng)用于渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和流量的測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)仿真測(cè)試系統(tǒng)的研究表明，它能夠在頻域?qū)⒏蓴_信號(hào)和渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)明顯地分離區(qū)別，因此對(duì)于具有強(qiáng)干擾的頻率信號(hào)也能夠準(zhǔn)確地測(cè)出；

(2)在實(shí)驗(yàn)室搭建了光纖渦輪流量模擬測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，從原理上驗(yàn)證了光纖渦輪流量測(cè)試系統(tǒng)的可靠性；

(3)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)流量模擬測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)處理、顯示和保存等功能，借助于LabVIEW 強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了界面友好的測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試精度高、使用維護(hù)方便。

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Fiber Turbine Flow Measurement System with FFT Based on LabVIEW

DU Yu-huan1，GUO Ying-qing1，XUE Hai-dong1，ZHANG Xiao-dong2，DING Yi3

(1.School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China； 2.School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. AVIC Aviation Power Machinery Research Institute, Zhuzhou 412002, China)

Fiber turbine flowmeter has broad prospects in flow measurement. Based on the analysis of methods about photoelectric frequency signal processing, the FFT spectrum analysis method was adopted in this paper.And then, a simulation testing system was developed in the LabVIEW. The method was proved with strong anti-interference and high accuracy in frequency measurement by simulation analysis. Further, the flow experiment system was built by combining hardware and software. By means of experiment, it has been verified the accuracy of the flow measurement system can reach higher than 0.5%.

turbine flowmeter;fiber optical;frequency;FFT

2015-02-09 收修改稿日期：2015-06-10

TP274

A

1002-1841(2015)11-0056-03

杜玉環(huán)(1988—),博士研究生，研究方向?yàn)楹娇沼詈酵七M(jìn)理論與工程。E-mail： duyuhuan@mail.nwpu.edu.cn 郭迎清(1964—),教授，博導(dǎo),主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄馨l(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械裝置性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視與健康管理技術(shù)。 E-mail：yqguo@nwpu.edu.cn