DFT方法处理科氏流量计信号中关键技术的研究

　　1　引言

　　基于流体振动原理工作的科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计),能直接测量质量流量,是目前发展最为迅速的一类流量计〔1〕。此类流量计由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表部分包括振动管(U型管、直管等)、激振器和传感器等。工作时,振动管由激振器激振,当流体流过振动管,由于科里奥利力的作用,使得管子发生扭曲,其偏转角θ由两个磁电式传感器拾取。二次仪表的任务是对两个磁电传感器的输出信号进行处理,放大、整形、鉴相和计数,测量其相位差的大小。这种信号处理方法存在以下几个问题:(1)科氏流量计是基于流体振动原理工作的,所以对噪声格外敏感。而工业现场,噪声各种各样,干扰是无法避免的。这种计数式的测量方法易受噪声影响,导致实际测量精度达不到指标规定的精度;(2)管子的振动频率受流体密度等因素的影响,使其不等于驱动频率,以致于传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂,二次仪表所测出的是合成波的相差;(3)测量液体流量时,两个信号的相位差一般小于4度。当测量气体时,由于气体产生的科里奥利力小,故相位差更小,处理较为困难。

　　为此,笔者提出以数字信号处理器(DSP)为二次仪表的核心,采用基于DFT的频谱分析方法,计算流量信号的频率〔2〕、〔3〕与相位差。用数字信号处理方法计算科氏流量计的相位差,需要解决以下关键问题:(1)实时性。由于数字处理计算量大,而仪表在测量时有实时性的要求。(2)体积;(3)计算精度。主要误差为非整周期采样所造成的泄漏误差。第(1)、(2)个问题可以通过采用DSP来解决,而第3个问题是DFT应用中的关键。本文将采取在仪表开机初始化过程中,用粗测、细测方法实现整周期采样。当频率变化时,采取频率跟踪的方法,减小泄漏误差,提高测量精度。

　　2　基本原理

　　对于一连续的周期信号X(t),对之进行采样。设采样满足采样定理,其DFT公式为

　　式中,N为采样点数,T为采样时间间隔。傅里叶系数为

　　功率谱为

　　在进行信号处理时,只计算管子的振动频率处的频率成分值,而别的频率并未包括进去,从而提高了抗干扰能力。由于功率谱突出主频率,比较各谐波上的功率谱,找到最大值,该谱线所对应的频率则为振动管的振动频率,也就是磁电传感器输出信号的频率。这是从带有噪声干扰的周期信号中获取有效信号频率的方法。

　　分别计算两信号的基波的DFT,计算出傅立叶系数an1,bn1,an2,bn2,则两个信号之间的相位差

　　3　测量初始化

　　在实际的运用中,由于振动管的振动频率受各种因素的影响,使其偏离驱动频率,所以振动频率实际上是未知的。为了实现整周期采样,减小泄漏误差,在初始化中进行粗测,细测。目的是测出信号频率,将采样频率调整为信号频率的整数倍(在这里将调整为128倍)。