面向时变的科里奥利质量流量计信号的处理方法研究与实现

　　1 引 言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)可直接高精度地测量流体的质量流量且可同时获取流体密度值，是当前发展最为迅速的流量计之一。

　　科氏流量计通过测量 2 个磁电传感器输出信号之间的相位差(时间差)来得到流体的质量流量。为了能够从含有噪声的传感器输出信号中准确地提取出流量信息，国内外研究者采用数字信号处理技术来计算相位差/时间差。但均是以时不变信号为研究对象的，即认为在一批处理数据(例如 2048 点)中，信号的频率、相位和幅值是不变的。实际上，由于受到管内流体的流速、密度和流体脉动等因素变化的影响，科氏流量计信号会随着时间发生变化。为此，我们率先建立了时变信号模型,并提出了基于陷波滤波器和滑动 Goertzel 算法的科氏流量计信号处理算法，克服了基于 DFT 频谱分析整周期采样的影响，在每个采样点都可输出计算结果，并且能跟踪变化的流量信号[1-2]。但是，算法的收敛过程较长，跟踪精度不高，且跟踪不到信号的微小变化，同时用于实际系统时计算量大且会发生数值溢出。在此基础上，文献[3-4]提出了计及负频率影响的 DTFT 递推算法，即在计算正弦信号的傅里叶系数时不忽略负频率成分的影响，从而提高计算精度，极大地缩短了收敛过程。但该算法只适合一段时间内信号恒定的情况，对于流量变化如批料流或有微小波动的时变信号时就失去了作用。同时，文献[2-3]没有给出算法的具体实施方案、DSP 芯片的型号、信号处理硬件系统和采样频率等信息。

　　为此，针对时变信号，提出将多抽一滤波、自适应格型陷波滤波和负频率修正的滑动 DTFT 递推算法(以下简称 SDTFT)有机地组合起来形成一套完整的科氏流量计信号处理算法，并在 DSP 系统上实现，实时处理流量计信号，既能用于非时变信号又能跟踪频率、相位变化的信号，更加接近实际应用情况。且算法计算量较小，不会发生数值溢出，便于实时实现。

　　2 时变信号

　　根据科氏流量计的工作原理，在理想情况下，传感器输出的信号为标准的正弦信号。但在实际应用中，由于受到管内流体特性如流速、密度、流体脉动及流场等因素变化的影响，信号的频率和相位并不是恒定不变的。

　　因此，我们把这种频率、相位等随时间发生变化的信号称为时变信号。我们通过观察 Micro Motion 公司生产的型号为 CNG050 微弯型科氏质量流量传感器的实际工作过程发现：

　　1)当流量较稳定时，两路信号的相位随时间会发生缓慢而微小的变化，这种变化是随机的没有规律的，但变化的幅度并不像文献[1]中建立的信号模型那样大，一般不超过给定相位的 1%。在小流量测量中，如 1kg/min的流量对应的相位差为 0.020 左右，此时相位波动不超过 0.00020，变化范围很小，但要提高小流量测量精度这种波动是不能忽略的。