基于DSP的科氏质量流量计信号处理系统

　　1　引　　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)是70年代末期由美国Micro Motion(微动)公司研制出的一种新型质量流量计,可以直接高精度地测量流体质量,是当前发展最为迅速的流量计之一。相对于其它通过体积流量等来间接测量流体质量的流量计来说,科氏流量计具有很多优点:(1)其抗蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已较满意地得到解决,因此可以测量范围广泛的介质,如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的流体;(2)管道内无障碍物,无可动部件,故障因素少,便于清洗、维护和保养;(3)安装简便,各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装;调整、使用方便,不必配置进出口的直管段;(4)能较容易地测量多相流体;(5)多参数测量,在测量质量流量的同时,可以获取体积流量和密度等;对于影响量,如压力、粘度以及流速分布等不敏感。

　　但是,由于其工作原理和现有的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数等)的局限,目前此类流量计存在一些问题:(1)对噪声特别敏感。而工业现场,噪声各种各样,干扰是无法避免的。这种计数式的信号处理方法易受噪声影响,导致实际的测量精度达不到指标规定的精度。(2)管子的振动频率受流体密度等因素的影响,使其不等于驱动频率,以致于传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂,二次仪表所测出的是合成波的相差。

　　美国微动公司申报了用DFT处理科氏流量计的输出信号,并用TMS系列的DSP研制二次仪表的专利[1]。将整个信号处理过程分为初始化、相位差测量和频率跟踪三个阶段。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,计算出相位差;在频率跟踪阶段,测量频率的变化,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。但是,频率跟踪中的过零采样这一关键技术并没有披露。合肥工业大学徐科军等对此进行研究,给出了具体方法和仿真结果[2,3]。然而在实际中,过零采样是很难做到的。合肥工业大学徐科军等又提出了一种不需要过零采样的频率跟踪方法[4,5]。但是,该方法仅能测量出跟踪过程中的频率的变化,而对在两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,测量结果存在一定误差。

　　日本富士公司申报了用矢量分析处理科氏流量计输出信号的专利[6,7]。该方法将两路信号相加得第三路信号,再将三路信号分别通过抗混迭滤波、放大和采样通道进入DSP,并在其中进行带通滤波及DFT转换,计算出相位差,进而计算质量流量。在计算中幅值始终是一极其重要的参数,并且信号通道增多,因而引进了许多新的误差,需要进行误差补偿,但补偿参数又不易获得精确值。而该仪表对精度要求很高,因此该方法存在较大的局限性和复杂性。