科氏质量流量计相位差检测新方法

　　1　引　　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称为科氏质量流量计,即CMF)是一种利用被测流体在振动测量管内产生与质量流量成正比的科氏力为原理所制成的一种直接式质量流量仪表。CMF直接敏感被测流体的质量流量,同时可以检测流体的密度、体积流量,是一种应用广泛的新型多功能流量测量仪表。

　　图1中双U型管工作在谐振状态,流体在管中沿箭头方向流动。由于哥氏效应(Coriolis Effect)的作用,U型管产生关于中心对称轴的一阶扭转“副振动”。该一阶扭转“副振动”相当于U型管自身的二阶弯曲振动。同时,该“副振动”直接与所流过的“质量流量(kg/s)”成比例。因此,通过检测U型管的“合成振动”在B,B’两点的相位差就可以得到流体的质量流量[1～2]。

　　质量流量和相位差的关系为:

　　ω为系统的主振动角频率(rad/s);K为与测量管的形状、尺寸、材料和激励信号等有关的系数(kg/s2);φBB′为B,B’的相位差(rad)。

　　因此相位差检测在CMF中至关重要,直接决定着系统的测量精度。传统相位差检测多为模拟检测原理,即利用模拟比较器进行过零点检测,从而实现相位差检测。实际上,使用现场存在各种震动及电磁干扰,造成检测电路的输入信号中存在各种噪声。这些噪声分量会改变正弦波的过零点位置,从而影响相位差检测精度,因此必须采用模拟滤波器滤除噪声。但是模拟滤波器阶数有限,难以消除与有用信号频率接近的噪声,而且存在两路滤波器特性不一致及元件参数漂移等问题,造成检测误差。

　　数字信号处理方法可以有效避免元件参数漂移等问题,而且使更有效的噪声抑制方法成为可能。目前基于数字信号处理技术的相位差检测方法主要有两种:一种是利用FFT在频域计算,一种是互相关求相位差。由于这两种算法要求整周期采样,而测量系统的信号周期不是固定的,因此需要一套较为复杂的测量电路来保证采样周期和信号周期的整数倍关系,而且运算方法较复杂[3,5]。因此,作者提出采用数字式过零点的相位差检测新原理,即利用DSP对信号的波形进行时域分析,计算出过零点的时间差,进而得出信号相位差。

　　2　相位差检测原理

　　数字式的过零点检测原理计算两路信号的相位差,如图2所示。B和B’点的拾振信号经AD同步采样后,得到一系列数据点,在过零点附近,对数据进行曲线拟和(图中曲线所示),求出拟和曲线与横轴交点,作为曲线的过零点,得到两路信号的过零点的时间差,由时间差即可算出信号的相位差。由前述相位差检测原理分析可知,当原始信号中叠加有噪声时,有可能改变信号过零点的位置,影响相位差的计算精度。