科氏流量计信号处理中频率跟踪方法的研究

　　1　引言

　　科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)直接测量流体的质量流量,同时可测流体的密度,且具有较高的精度和较好的重复性,在石油、化工等领域应用广泛。科氏流量计是基于流体振荡原理工作的,因此,对流场和管道的振动噪声比较敏感。此外,由于流体密度、温度和压力变化,以及受非线性因素的影响,测量管的振动频率会偏离驱动频率,导致传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂。从理论上讲,质量流量与测量管振动基频的相位差成正比。但是,目前采用的计数式处理方法,测出是合成波的相位差,并且抗干扰能力差,使现场的测量精度达不到指标规定的要求。为此,文献[1,2]提出了基于离散傅里叶变换(DFT)的数字信号处理方法,其基本思路是:在仪表初始化过程中,采取粗测、细测方法,准确地求得信号的频率,以及该频率处的相位差。在实际测量中,由于被测介质密度等因素,导致信号频率的变化。为了保证数字信号处理的精度,采用频率跟踪方法,修改采样频率,使其始终为信号频率的128倍,实现整周期采样。但是,文献[1,2]研究的频率跟踪方法,要求过零开始采样。因为从数学表达式看,频率变化表现为相位的变化。若不过零采样,存在初始相位,就无法确定出频率的变化。然而,在实际测量中,很难做到过零采样。为此,本文提出了一种有效的方法,可以在不过零开始采样的情况下,实现频率跟踪,保证相位差计算的精度。并用C语言编程,进行仿真,其频率跟踪和相位差测量精度均很高。

　　2　频率跟踪方法

　　在频率跟踪时,只需对其中一个磁电式传感器的输出信号采样。设信号为

　　此时有两种情况:(1)细测结束时,测得的频率值为信号频率f0,即测量无误差;(2)细测结束时,测得的频率值不为f0,存在误差f′(f′<0.05Hz)。

　　2.1　情况1

　　以64·f0的频率对信号采样64点,此时的频率分辨率为f0,所以,基波处功率谱最大。做DFT,求出基波处的系数a0、b0,可得

　　由此可跟踪频率的变化。但是,科氏流量计在流体密度变化很大的范围内,频率变化较小(≤4Hz)。若用式(8)计算相邻两周期的频率变化,其值非常小,几乎无变化,所以,无实际意义。为此,我们对频率跟踪方法进行了改进。

　　由式(5)可知,

　　变化时,可求出其平均值;当Δf不变时,可求出其精确值。(2)由于Δf变化非常小,应多间隔几个周期再采样,即n取大些;如果间隔过大,使Δf变化过大,不能准确地跟踪其变化,但可以逐步逼近准确值。

　　2.2　情况2

　　由上面的分析可知,细测时存在的误差f′相当于Δf不变时的情况,可以通过计算,跟踪变化了的频率,提高测量精度。当准确跟踪到频率变化Δf后,将128·Δf加到原先的采样频率上。然后,就可以回到相位差的测量上去。