基于时变信号模型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),是一种可以直接实现质量流量测量并可同时获取流体密度值的流量计。它是当前发展最为迅速的流量计之一,具有广阔的应用前景。科氏流量计要求其信号处理电路精确地测量出来自两个流量传感器信号的相位差。目前广泛使用的国内外产品绝大部分采用基于模拟和数字电路的信号处理方法,如:放大、滤波、整形和计数等,但这种处理方法往往存在很多局限[1]。随着数字信号处理技术和DSP芯片的发展,国内外的相关研究机构做了大量研究工作,希望采用数字信号处理技术来解决这些问题[1～8]。但是这些研究基本上都是以频率、幅值和相位不随时间变化的信号模型作为研究对象,而实际的科氏流量计信号由于受到管内流体的影响,这些特征是随时间变化的,因此并不能较为真实地反映实际的情况。

　　为了更为真实地描述科氏流量计的信号的实际特性,文中以频率、幅值和相位均按照随机游动模型(Random Walk Model)变化的信号模拟科氏流量计信号,并研究一种新的信号处理方法,从含有噪声干扰的信号中准确测得质量流量。首先采用基于IIR型自适应陷波器的自适应谱线增强器(ALE)将信号中噪声滤除,同时测得信号的频率,并跟踪其变化。然后采用滑动Goertzel算法,得到增强后的信号的相位差和时间差,从而测得质量流量。值得注意的是,由于许多实际信号都可以用该模型模拟,所以文中所介绍方法的应用领域并不仅局限于对科氏流量计信号的处理。

　　2　信号模型

　　根据科氏流量计的工作原理,其传感器的输出信号为正弦信号。由于受到管内流体特性,如流速,密度和流体脉动等因素变化的影响[9～10],信号的幅值、频率和相位也会相应地发生变化。这种变化通常是不可预见和随机的。同时由于传感器测量噪声和环境噪声的存在,所以定义如下模型来模拟真实的科氏流量计信号:

　　其中:eA(n)、eω(n)和eΦ(n)均为零均值,方差为1的白噪声,且e(n)、eA(n)、eω(n)和eΦ(n)互不相关。需要指出的是,由于幅值、频率和相位应该随时间缓慢变化,因此在计算机仿真中σA、σω和σΦ 的取值与fs有关系,fs越大,σA、σω和σΦ 应相应地取小一些,反之亦然。

　　3　自适应IIR陷波器和谱线增强

　　3.1　原理

　　研究的是零极点约束的IIR陷波滤波器[11～12]。零极点约束是指陷波器的零极点满足如下条件:对于每对零极点,零点在单位圆上,并且位于陷波频率处。极点则在单位圆内,且与零点同一角度,并尽可能的靠近零点,极点与原点的距离为ρ。由此可得陷波器的传递函数为: