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涡轮测频流量计算法优化设计

时间:2017/10/23来源:未知

摘要:涡轮流量计叶片的制造公差将导致输出信号频率波动,因而传统的刚周法噪声较大。提出一种涡轮流量测量算法,通过滚动采集涡轮流量计循环周期内多个连续脉冲信号的脉冲群周期,每采集到一个新的脉冲就计算一次当前脉冲群的平均周期和频率,再利用流量一频率对应关系得到当前流量。该方法能够解决现有技术中涡轮流量计信号刚量的实时性与性之间的矛盾。

    航空发动机试验过程中一般采用涡轮流量计测量燃油流量,要求燃油流量测量精度高、响应快。目前小口径(X50~以下)涡轮流量计的流量特性受涡轮叶片加工形状和环境温度等影响较大,因而其困难在于如何解决流量测量的实时性和测量精度之间的矛盾[i -z)。目前对涡轮流量计测量误差分析与研究主要集中在对影响涡轮流量计测量精度的主要参数,比如介质温度、压力、密度、粘度以及流量计本身的非线性等f’〕,并相应地提出改善方法,通过提升流量计自身结构特性、提高传感器测量准确性等改善流量计物理特性的方法来提升其测量精度。笔者通过分析传统测频方法测量流量的不足,提出优化测量算法来提高测量的精度。
1、涡轮流量计的测量误差分析:
  航空发动机测试系统中的涡轮流量计一般为风扇式流管结构,图1所示为具有6个叶片的涡轮流量计简图,当液体通过涡轮流量计叶片时,一个叶片转动一周产生一个脉冲量,外部电路对该脉冲量进行整形成方波后输出,数据采集板卡测量这组脉冲量的周期或频率,通过频率与流量的关系计算得到流量。    频率测量方法一般分为测周法和测频法。测周法测量待测方波信号的周期再取倒数[[6],计算出频率值。测周法原理如图2所示。图中板卡Gate端接待测信号,Source端接已知频率的内部标准时钟信号。当定时时间到,采集两个Gate上升沿之间的Source脉冲数(或分别采集相邻的Gate高电平和低电平时的Source脉冲数再相加),根据脉冲数和Source的频率就可以计算时当前Gate端信号的频率。
测评法

计输出的脉冲信号周期抖动,造成频率噪声较大。传统测周法一般定时测量待测信号当前某一个周期的宽度,如图6所示,因而得到的频率输出噪声较大。
图6未完个采集脉宽

图6未完个采集脉宽

    根据图5所示的脉宽周期}h`f变化的规律,如果采集所有的流量计输出的脉宽数据,以6个脉宽为一组进行平均,就可以得到比较稳定的频率输出数据平均之后的脉宽如图7所示

图7平均后脉宽曲线


图7平均后脉宽曲线

    结合图5、图7的试验点分析,测周法在低频段由于!泳冲的循环波动导致噪声较大,测墩精度难以达到实际测i ky要求。将相邻脉冲取平均之后的数据变化的更为平滑、合理,避免厂囚为叶片制造公差造成的循环波动,能够真实的反应出实际流狱变化过程、    笔者采用1I企业的1'X I-6624板长,并采用Lab-V I I实现数据采集和滤波计劝一PX I -6624板卡中20MHz的内部时基能够使输人频率***大达到400 kHz;拥有8个32位的计,数器/定时器,确保能够采集完整的输人信号。

2、优化算法的测频方法:
  所提出的优化算法原理是滚动采集涡轮流量计循环周期数个连续脉冲信号的脉冲群周期,每采集到一个新的脉冲就计算一次”诵ij脉冲群的平均周期,山当前平均周期计算流y_计的“of前频率,从而得到、,i前流F抢IaibVIEW程序原理如图8所示。
图8 算法优化原理简图


图8 算法优化原理简图

    利用一个具有FT 1O功能的队列空间将数据传递进入一个一维数组,数组I,;I一时刻只能容下6个儿索根据没计要求,板}、一次采集0一4个新的脉冲,若此次没有采集到新的脉冲位, )yS么将对上一时刻的6个脉}I} t1'1:取平均;才,、采集5'1l !'新的脉冲,不妨}I设'tT次者Is采集r4个脉icy uf= I I.II}h ,的编号为(1,2,3,4),(S>6.7,g) ,...,***初的脉冲顺序I -.反转后放人数组rln,此时I`1勺数}l L元素依次为(4,3,2,I,NaN,NaN);一维数}f 1循环移位函数读取队列传过来新脉冲的个数a(n =4),将数组的后4个数移位到报前端,这时数组的儿索依次为(2,I,NaN,NaN,4,3),然后新的一组脉冲依次通过反转函数,替换数组子集I=kl数放人数组,***后数41 l的儿素就依次为(8,7,6,5,4,3),此时再取平均,得出FIFO中的平均脉冲仇依照此流程循环下去,所有的脉冲就都能实现平均化以一个脉冲也不会丢掉,这样的脉冲平均避免了传统测周法的循环波动,从而就提高r测量的精度。    采样时间和平均仇的计算间隔都设置为10 ms,从而可以测量0 } 600 Hz范围内的流量频率;将频率量线性插值的时间间隔设置为100 ms,每秒计算出10个当前平均流员值这样的时间间隔与测周法是在同一个定时级VIII[的,所以这种算法的优化义具备r测周法所拥有的实时性。

3、优化前后的数据对比:
  再对同一试验段分SuJ用传统测周法与优化的算法进行试验测量,测量结果如图9所示。由图9可看出,优化后的数据在原始数据的波动范围内,近乎于梅个循环周期内***大与***小频率的中值,这首先验证了算法优化数据的正确性;其次优化后数据没有原始数据的数值循环波动且数位变化平滑,这样的结果更为
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