一种科氏流量计的数字信号处理与驱动方法研究

　　1　引　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)可以直接测量质量流量,是当前发展最为迅速的流量计之一。但是,目前此类流量计还存在以下局限性:

　　(1)传统的模拟电路计数式信号处理方法测量的是一个合成波的相位差,频率成分复杂,而真正与质量流量有关的只是基波的相位差;(2)由于模拟驱动电路提供的增益有限,当振动管(流量管)的振幅和固有频率变化时,无法及时控制振动管达到稳定的振动。

　　为此,人们研究数字式科氏流量计[1,2],即用数字信号处理方法测量传感器输出信号的频率和相位差,用数字方法为振动管提供驱动信号。其中,牛津大学的专家提到了一种基于同步调制的数字处理方法,并申报了美国专利[3]。本文指出其相位差计算方法的不合理性,给出了正确的公式推导,并进行仿真和性能分析。同时,对科氏流量计的驱动方法进行研究和仿真,提出了较为完整的数字驱动方案。

　　2　基于同步调制的信号处理方法

　　2·1　方法分析与改进

　　这种方法的主要思想是通过对信号的调制,滤波后构造出反映信号频率和幅度信息的函数。

　　设科氏流量传感器的输出信号为

　　得到包含频率偏移和幅值基本信息的表达式,其中,u1[k]是u[k]的实部,u2[k]是虚部。根据它们计算频率偏移

　　把频率偏移加到额定频率上就得到被测信号的实际频率;同时,更新调制频率使其等于这个实际频率,达到跟踪的目的。

　　在频率测量的同时,还利用u[k]的实部和虚部来确定原始信号的幅度

　　在忽略ε1[k]和ε2[k]的基础上,将上面两式相乘得到一个高频和直流分量,这个直流分量就含有相位信息:

　　为了能实现相位差的测量,我们重新推导有关公式。

　　由于调制频率是不断跟踪信号频率的,当调制频率跟踪上后,Δω≈0。于是,可以根据式(4),在忽略滤波噪声的情况下就能得到

　　这里的Φ′是指滤波后的相位。滤波会使信号相位发生变化,但是,当两路信号的频率一样时,它们通过同一个滤波器时的相位变化量是一样的,所以,就可以直接用两路信号滤波后的相位来计算相位差。

　　2·2　仿真结果

　　(1)调制频率初始化

　　此方法测量的是相对于调制频率的偏差频率,因此,程序开始时必须要有一个预先估计的频率(调制频率)。同时,根据偏差频率设定一个很窄的低通滤波器,对调制后的信号(式(4)和(5))进行滤波。由于U形管的信号频率大概在80 Hz~150 Hz,测量初始化时,就将调制频率设定为这个范围的中间值115 Hz。然后运用同步调制法就可以得到一个初始偏差频率,初始时滤波器的带宽比较宽,频偏的误差也会较大,然后根据它对调制频率进行修正,减小调制频率对于实际频率的偏差。同时也对滤波器进行更新,接着就可以进行频率偏移和幅度的计算。设两路信号分别为Asin(2πft+θ1)和Asin(2πft+θ2)。由于计算频率和幅度时两路信号的处理过程是一样的,所以只对一路信号进行仿真。这个初始估计仅仅是为了减小调制频率和信号频率的差距,并不产生测量数据,所以这样的精度完全能满足要求。