基于MATLAB的双频超声波多普勒流量计的理论模型仿真

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0 引言

MATLAB是由美国Mathworks公司推出的年夜型应用软件,由多名专家在本身善于的范畴用它编写了很多专门的MATLAB对象包,如控制体系对象包;体系辨识对象包;旌旗灯号处理对象包;鲁棒控制对象包;最优化对象包等等。因为MATLAB功能的赓续扩大,所以如今的MATLAB已不仅仅局限于现代控制体系分析和综合应用,它已是一种搜罗浩瀚学科的功能强年夜的“技妙策算说话”。SIMULINK是一个进行动态体系建模、仿真和综合分析的软件包,它可以处理的体系包含线性、非线性体系;离散、持续及混淆体系;单义务、多义务离散体系事宜。其界面上只要进行鼠标的简单拖动操作就可以构造出复杂的仿真模型,用户可以在仿真过程中改变感兴趣的参数,及时不雅察体系的变更。

1 理论模型

采取双频多普勒技巧的流量计重要用于污水类非纯净液体和固体两相流的流量测量,它不只具有分辨率高,对流速变换响应快,对流体的压力、粘度和温度等身分不敏感的长处,并且还可以知足高精度测量的请求,是以双频超声波多普勒流量测量技巧的研究是一项异常有实用价值的研究课题。与传统的单频多普勒流量测量不合,双频超声波多普勒流量测量体系产生两组异频、自力的超声波旌旗灯号,两种频率用于辨认旌旗灯号,它能有效去除噪声旌旗灯号,并将精确辨认出的多普勒旌旗灯号进行平方放年夜。本体系引入先辈的数字旌旗灯号处理技巧,在频域上对多普勒旌旗灯号进行有效的处理。具体办法是起首对两个通道的多普勒旌旗灯号采样,分别进行FFT变换求其功率谱;然后将个中一个通道的功率谱移位,使流量多普勒旌旗灯号频移重叠而噪声被错开;将两束旌旗灯号的功率谱相乘,成果多普勒旌旗灯号被平方放年夜,而噪声旌旗灯号被年夜年夜衰减,使多普勒旌旗灯号加倍轻易辨认和跟踪。

设旌旗灯号为x(t),载波为cosΩ1t、cosΩ2t,加性白噪声为n(t),如图一所示。旌旗灯号x(t)经由载波cosΩ1t、cosΩ2t分别调制后经由过程存有加性白噪声n(t)的信道,然后旌旗灯号经由带通滤波器、解调器、低通滤波器输出。

设旌旗灯号x(t)是带宽为2Ω0的窄带旌旗灯号,其功率谱为X(jΩ),n(t)的功率谱P(jΩ),h1(t),h2(t)是幻想带通滤波器,中间频率分别为Ω1和Ω2,其频率响应如公式(1)和公式(2)所示,h(t)为一幻想低通滤波器,其频率响应如公式(3)所示。

旌旗灯号x(t)经由调制后,经由过程信道被白噪声n(t)污染。图一中A、B两点的波形表达式分别为:

为了表示的便利,旌旗灯号分别经由过程幻想带通滤波器后,图一中C、D两点波形的功率谱为:

旌旗灯号在经由带通滤波器后送入解调器,解调后的旌旗灯号y5(t)、y6(t)在E、F点的频谱如下:

最后旌旗灯号经由过程幻想的低通滤波器,图一中G、H两点处的旌旗灯号频谱为:

比较公式(10)和公式(11)可以看出旌旗灯号经由调制后旌旗灯号频谱没有产生变更。因为噪声为白噪声,其功率谱在频域分布是随机的,是以在经由过程带通滤波、解调和低通滤波等一系列处理后噪声频谱被错开。

上述的推导固然只是简单的旌旗灯号分析,但它却能反应双频超声波多普勒流量计工作的本质,即两束多普勒旌旗灯号固然载波的频率不合,然则经由带通滤波、解调和低通滤波处理后,两束多普勒旌旗灯号的频谱分布规律没有产生改变,而噪声旌旗灯号的功率谱却被错开了,为我们后续工作奠定了理论基本。

2 仿真

数据处理模块的工作过程描述如下:起首对前向两通道混有噪声的时域多普勒频偏旌旗灯号进行采样,然后分别对两组旌旗灯号进行FFT变换,求其功率谱。接着对个中一组旌旗灯号的功率谱延长,使同一频率范围的旌旗灯号重叠而噪声被错开。一旦多普勒旌旗灯号重叠,两束多普勒旌旗灯号的功率谱相乘,成果多普勒频偏旌旗灯号的功率谱被平方放年夜,而噪声旌旗灯号被衰减,这使的多普勒频偏旌旗灯号加倍易辨认和跟踪。建立如图二所示的仿真模型图:

输入旌旗灯号频率为100Hz,波形如图三所示,热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点,载波1的频率为2000пHz,载波2的频率为3000пHz,波形如图四所示。

根据理论模型,使输入旌旗灯号分别与两个载波相乘,即调制,获得图五和图六的波形,然后再与噪声旌旗灯号叠加获得图七波形。

混入噪声的旌旗灯号分别经由过程两个Butterworth带通滤波器落后行解调,带通滤波器的中间频率按公式(1)、公式(2)求出,

解调后的旌旗灯号经由低通滤波器滤波,超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器,波形如图十和图十一所示。

旌旗灯号的采样是体系前向通道的重要构成部分,采样对体系的及时性请求很高。为了兼顾频率分辨率、测量精度和运算量等指标,本体系采取分段设置采样频率。这种办法不仅可以增长测量的精度,并且使得分辨率也很高。在实验中发明,进行频率分段,要进行采样率切换,因为采样率产生变更本来采样数据损掉,须要进行从新采样,得不偿掉。为了避免频繁切换采样频率,频率之间应当有覆盖段。例如,将40-600Hz分为40-100Hz,100-600Hz两段,则旌旗灯号频率在100Hz阁下时,将频繁切换采样频率;若分为40-120Hz,100-600Hz两段,就可以避免这个问题。分段的原则是:

①肯定合适的采样点数;

②采样频率设置要知足采样定理;

③知足体系精度请求;

④频率段之间有覆盖段。

本体系中,旌旗灯号的频率范围在80-3000Hz之间,如许为了削减采样点数而同时知足计算精度。肯定采样点数为1024点,计算精度优于0.5%,分5个频段设置采样频率,最低采样率为450Hz,最高采样频率为8000Hz,具体频率分段如下:

①80-200Hz:=450Hz;

②180-400Hz:=1000Hz;

③350-800Hz:=2000Hz;

④750-1500Hz:=4000Hz;

⑤1400-3000Hz:=8000Hz。

因为本次仿真输入旌旗灯号频率设为100Hz,所以采取频率选450Hz,采样后旌旗灯号波形如图十二和十三所示。

在周期图中,有限长0―(N-1)的随机数据序列可以看作是无穷长的随机数据序列经矩形窗开窗截断的成果,如许就必定引起信息的损掉。两个时光序列相乘的傅立叶变换等于两个时光序列各自的傅立叶变换在频域中的卷积。矩形窗时光序列,其傅立叶变换情势为sinNπf/sinπf情势。是以,用矩形窗截断随机数据序列获得时光序列频谱等于该旌旗灯号的真正频谱与sinNπf/sinπf频谱的卷积。本次仿真采取汉明窗,波形如图十四和十五所示。

功率谱分析在随机旌旗灯号处理中有着极其广泛的应用,是安稳随机过程在频域描述各频率成疏分布情况最实用的办法,反应旌旗灯号的很多重要特点,可以应用旌旗灯号功率谱的持续谱和线谱特点进行目标的主动辨认和分类。而多普勒旌旗灯号在一准时光段内可以算作一种广义安稳旌旗灯号,可以应用功率谱分析。经典的功率谱估计都是以DFT作为基本采取FFT快速算法,周期图就是一种经典谱分析办法。本次仿真就是直接用序列x(n)的FFT来实现对功率谱的估计,并辅以数字滤波技巧,有效的解决了数字旌旗灯号处理办法应用于超声多普勒旌旗灯号时存在的计算精度和及时性这两个关键的技巧问题。本次仿真采取的FFT变换是基-2的时域抽取法,推敲体系数据处理才能和及时性的请求,这里N=1024=210,经FFT变换后的频谱图如图十六和十七所示。

图十六通道1频谱图图十七通道2频谱图

3 停止语

后期研究部分重要对获得的功率谱用频偏峰值切近亲近法进行分析和处理获得近似多普勒频偏值,再辅以数字滤波技巧获得相对精确的多普勒频偏值;最后应用获得的多普勒频偏值进行流量、流速等各类数据量的计算。应用MATLAB软件实现了双频超声波多普勒流量计的理论模型的仿真过程,烟气分析仪广泛适用于各种工业燃烧设备的维护与监测,有利于进一步懂得该理论模型可以产生的成果,人们可以直不雅的看见各信道旌旗灯号的波形,也为该课题的进一步的深刻研究起到了必定的帮助感化。

参考文献

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