基于DFT的科里奥利质量流量计信号处理方法的改进

　　20世纪70年代末期,美国Micro Motion公司研制出的科里奥利质量流量计可以直接高精度测量流体质量,是当前发展最为迅速的流量计之一[1]。但是,其工作原理和现有的信号处理方式使此类流量计存在以下局限性:

　　(1)由于此种计数式信号处理方法对噪声比较敏感,故无法避免工业现场各种各样的噪声干扰,导致实际测量精度达不到指标规定的要求。

　　(2)管子的振动频率受流体密度等因素影响,使其不等于驱动频率,致使传感器输出信号频率发生变化以及频率成分复杂。

　　为此,美国Micro Motion公司提出采用离散傅里叶变换(DFT)处理科氏流量计的输出信号,并用TMS系列的DSP研制二次仪表。但非整周期采样时,DFT的计算误差不能满足仪表精度要求,这就要求不断进行频率跟踪,故提出将整个信号处理过程分为初始化、相位差测量和频率跟踪3个阶段[2]。在初始化过程中,对信号频率进行粗测和细测,以获得准确的信号频率,实现整周期采样。在相位差测量阶段,计算相位差。在频率跟踪阶段,测量频率变化,调整采样频率,以便整周期采样,为下一次相位差计算做准备。其中,关键技术是频率跟踪中的过零采样,但是,这一关键技术并没有披露。文献[3,4]对此进行研究,虽给出了具体方法和仿真结果,却仍然没有解决过零采样的实现问题。文献[5,6]提出了一种新的频率跟踪方法,不需要过零采样。但该方法仅能测量跟踪过程中的频率变化,而对二次频率跟踪之间的频率变化无法检测,且由于测得的是一段时间内频率变化的平均值,测量结果易存在较大误差。因此,本文对上述方法进行改进,并采用细测思路进行频率跟踪,即在频率可能变化的范围内进行搜索,通过比较功率谱值而得到实际频率,从而提高频率跟踪精度。

　　1　测量初始化

　　开机时系统首先对数字处理器及外设初始化,检测测量管的振动频率,为测量质量流量作好准备工作。在初始化中,为了保证测量精度,减少测量时间,将振动频率检测分为粗测和细测两个过程。

　　1.1　频率粗测

　　以较低的频率分辨率采样,初步确定频率范围,科氏流量计测量管的振动频率一般在75～150 Hz范围内。为满足采样定理,在频率粗测中取采样频率fs= 320 Hz,采样点数取N= 64。所以,采样频率分辨率fd为

　　对采样点进行DFT计算,可以得到各次谐波的傅里叶系数及功率谱,比较所有的功率谱值,可以得到与最大功率谱值对应的最大谐波次数Nmax(以下简称最大谐波次数)。则信号频率范围应为

　　1.2　频率细测

　　频率粗测的结果只是一个范围,误差最大为±fd/2,而频率误差对相位差(即对质量流量)的测量起着决定性作用,因此这一结果无法直接应用到相位差测量中。所以,频率细测必须在粗测范围内进行细致搜索,从而测量出准确频率。