基于正交解调的科里奥利质量流量计信号处理方法研究

　　1　引　　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)由于其精度高、重复性好以及能够直接测量质量流量,在工业上获得了广泛的应用。该流量计是通过测量两路流量传感器输出信号之间的相位差(或时间差)来得到流体的质量流量的。由于工业现场存在着各种噪声,再加上传感器本身存在非线性关系。所以,在传感器的输出信号中会含有各种谐波,将影响流量计的测量精度。因此,要求科氏流量计信号处理部分应具有很好的噪声抑制能力。此外,由于科氏流量计振动管的固有频率会随着流体密度的变化而变化,因此,还要求信号处理部分应具有很好的频率跟踪能力。

　　科氏流量计生产厂家瑞士恩德斯+豪斯(Endress+Hauser)公司[1]、美国Foxboro公司[2]以及美国MicroMotion公司[3]将正交解调的方法应用于科氏流量计的信号处理。Endress+Hauser公司用于信号频率和幅值的控制,同时求取相位差:对两路信号的差动信号进行正交解调,利用差动信号的正交分量求相位差,还利用差动信号的同相分量对两路信号的幅值进行控制;采用两路信号的其中一路进行正交解调,以求出信号的幅值和频率。Foxboro公司先用一个接近信号频率的信号对两路传感器的输出信号分别进行正交解调,再求出频率、幅值和相位差。Micro Motion公司用自适应陷波方法跟踪信号的频率,再用跟踪上的频率进行正交解调,最后求出信号的幅值和相位差。

　　正交解调方法用于科氏流量计的一个关键技术就是低通滤波器的设计,低通滤波器设计的好坏不但直接影响计算的精度,还直接关系到该方法能否实现。在上述三家公司的专利中,对于低通滤波器设计的问题很少提及。文中从正交解调的原理出发,给出了将该原理用于处理正弦信号以得出正弦信号的频率、相位差和幅值的公式,并设计较好的滤波方式,同时研究两种　　实现方案,并进行仿真和比较。

　　2　基本原理

　　科氏流量计传感器输出信号模型为:

　　式中:A1、A2分别为两正弦信号的幅值。对于科氏流量计,由于两传感器位置可能不理想对称,导致幅值有所差别,可采用如文献[1]的方法对幅值进行控制,使A1=A2=A。ω为名义频率(nominal frequency),Δω为对名义角频率的瞬时频差,(ω+Δω)为信号的瞬时频率,用ω0表示,即ω0=ω+Δω。θ为两路信号的相位差,T为采样间隔(采样周期),ε1(n)和ε2(n)分别为两路信号中的噪声(包括高次谐波和随机噪声)。

　　科氏流量计在工作过程中其固有频率会随着流体密度的变化而变化,将ω设为没有流体流过时的固有频率,而Δω为有流体流过时引起的固有频率的变化量,即Δω随着流体密度的变化而变化。基于这一点,把式(1)、(2)看成是调频信号,因而可以用正交解调技术[4～6]来对科氏流量计的信号进行处理。