基于格型陷波滤波器的科里奥利质量流量计信号处理方法

　　1　引　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)可以直接测量质量流量,并可同时获取流体密度值,应用广泛,有很好的发展前景。但是,目前的国内外产品采用基于模拟和数字电路的信号处理方法存在很多局限。例如,对噪声比较敏感、模拟滤波器会改变信号的幅值和相位、测量的是合成波的相位差等,使其在现场的测量精度低于实验室标定的精度[1]。

　　为了解决上述问题,也为提升流量测量仪表的性能,国内外研究机构和公司将数字信号处理方法和数字信号处理器(DSP)应用于科氏流量计的信号处理。文献[2]采用基于DFT(离散傅里叶变换)的方法计算科氏质量流量传感器的频率和相位差,提出了粗测、细测和频率跟踪的思路。文献[3,4]采用DFT和基于DSP的信号处理系统,并在细测和频率跟踪方面做了改进。文献[5,6]研究了基于信号幅值的计算相位差的方法来处理科氏质量流量传感器的信号,并进行补偿。这些方法均存在一些不足之处。

　　文献[7,8]提出了基于陷波滤波器的信号处理方法,首先采用两级多抽一滤波器,对科氏流量计中的两个磁电式传感器的输出信号进行滤波,以减少随机噪声的影响;再采用自适应陷波滤波方法,抑制确定性噪声的干扰,提取流量管振动基频的信号并测得其频率。然后,采用加汉宁窗的DFT或常规Goertzel算法进行谱分析,得到振动管基频处的相位差和时间差,从而测得质量流量。但是,这种方法存在一些问题,如两级多抽一滤波器的计算量比较大,所采用的直接型IIR自适应陷波器计算复杂且对初始值的选取较为敏感,谱分析方法不能做到实时输出相位差,只能每64个点(即一个汉宁窗的宽度)计算一次时间差。

　　本文研究了一种新的信号处理方法,该方法中没有使用多抽一滤波器,从而节约了计算时间,并采用一种计算更为简单的自适应格型陷波器[9,10]来对信号进行陷波滤波。最后采用滑动Goertzel算法[12]进行实时谱分析,从而可以在每个采样点都能测得两路信号之间的相位差及时间差,实现在线计算。

　　2　自适应格型陷波器

　　图1所示的为一种级联的全极点和全零点格型陷波器,其传递函数为

k0在经过一段时间自适应后应该收敛到-cosω,ω是信号y(n)的归一化频率。α可决定着陷波的带宽。

　　自适应算法如下[10]:

　　在将计算出的频率用于相位差的计算之前我们先采用下面的方法对其进行平滑处理,以减少陷波器计算相位差时所引入的随机误差。

　　3　相位差及时间差的计算

　　常规Goertzel算法的传递函数如下