基于TMS320F28335的高精度科氏质量流量变送器研制

　　1　引　　言

　　科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)可以直接测量流体的质量流量,测量精度高,具有广阔的应用前景。科氏流量计由一次仪表和变送器组成,其中,变送器的主要任务之一是通过计算两路磁电传感器输出信号的时间差,得到流体的质量流量;同时,根据磁电传感器输出信号的频率获取流体的密度。目前,国内科氏流量计生产厂家多数采用模拟计数的方法来处理信号,易受噪声干扰,对变送器硬件设计要求高,且小流量测量精度不高,量程比受限。如何提高变送器抗干扰能力、提高小流量的测量精度,是科氏流量计发展中亟待解决的问题。

　　国外学者采用数字信号处理方法解决上述问题[1-4]。国内学者也将数字信号处理方法应用于科氏流量计[5-12],其中,文献[7-9]提出了基于自适应陷波器的谱线增强器、滑动Goertzel算法,文献[10-12]提出了一种计及负频率影响的DTFT和SDTFT算法。但是,这些算法基本上处于理论仿真和实验室验证阶段,没有研制完整的科氏质量流量计信号处理系统,没有实时实现这些算法。为此,本文提出将带通滤波、格型自适应陷波器、计及负频率影响的DTFT算法有机组合起来,研制以TMS320F28335为核心的科氏质量流量变送器,实时实现算法,并进行电信号的系统测试和水流量的标定实验。

　　2　信号处理方法

　　为消除噪声的影响,两路传感器信号由A/D采样后,先经过一个滤波深度和宽度可调的带通滤波器进行预处理;滤波后的信号经过格型自适应陷波器计算出信号频率,并实现对信号的二次滤波,进一步提高算法抗干扰能力;采用一种计及负频率影响的DTFT算法计算相位差,提高了算法的收敛速度和收敛精度。

　　2.1　带通滤波器

　　实际工业现场存在多种噪声,如随机噪声、工频干扰、电机和管道振动等引起的某一固定频率干扰,此外,在流体流量大时,流体的冲击力还会引入很大的谐波干扰。这些噪声的频带分布很宽,为此,本文采用了一种具有陷波器结构的IIR带通滤波器对传感器信号进行滤波。

　　滤波器传递函数为:

　　当ρ1、ρ2非常接近于1,而ω不在0、π、2π附近时,式　(2)可以简化为:

　　可见,当ρ1>ρ2时,陷阱处为衰减;当ρ1<ρ2时,陷阱处为放大。陷阱深度由ρ1、ρ2决定,而受ω影响很小。滤波器的陷阱宽度由ρ1和ρ2的值决定,并且主要由ρ2决定。设计滤波器时,可先固定ρ1,通过调节ρ2改变陷波器的陷阱宽度,其值越接近于1,陷阱宽度越窄;再调节ρ1,改变陷阱深度。该带通滤波器通带较窄,而实际中,科氏流量计传感器信号频率基本固定(如流体为水时,U形传感器空管和满管的固有频率相差不到10 Hz),所以用这种滤波器对科氏传感器信号进行预处理是可行的。