一种科里奥利质量流量计的信号处理方法

　　1　引言

　　科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)是一种直接测量质量流量的仪表,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来自两个流量传感信号的相位差。目前,其基于模拟电路的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数)存在的局限为:

　　(1)对噪声比较敏感。在工业现场,存在各种各样的噪声,干扰是无法避免的。科氏流量计传感器输出信号的频率落入许多工业噪声的频率范围,而且 传感器输出信号的幅值比较小,在许多情况下,并不明显大于噪声信号的幅值,这就限制了流量计的灵敏度,使得有用信息的获取比较困难,导致实际的测量精度达 不到指标规定的要求。

　　(2)模拟滤波器会改变信号的幅值和相位,这是不希望产生的结果。因为两个信号之间的时间延迟是用来求出流体特性的基本信息。

　　(3)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 合成波的相位差。为此,国外的大公司和研究机构以及国内的高校均采用数字信号处理技术试图解决上述问题,虽然,还没有新产品面市,但是,申请了一些专利和 发表了有关论文。归纳起来,有以下两种方案。

　　(1)美国Micro Motion公司用离散傅里叶变换(DFT)处理科氏流量计的输出信号,用TMS系列的数字信号处理器(DSP)作为二次仪表的处理核心[1]。当非整周 期采样时,DFT的计算误差不能满足仪表精度的要求,为此,提出了粗测、细测和频率跟踪的思路。但是,对其中的一些关键技术没有披露。例如当频率变化时, 如何采集过零点等等。合肥工业大学参考其思路,研制了采用DFT的、基于ADSP系列的DSP的信号处理系统,提出了有效的措施,解决了美国专利中没有说 明的技术难点,并且,在细测和频率跟踪方面做了改进[2,3]。实验室的实测结果表明,此方法是行之有效的。其存在的问题是:(a)实时性差。在频率跟踪 时,要不断地变化采样频率进行采样和计算,再比较功率谱值的大小,以确定实现整周期采样的频率,其时间长达10~20秒。(b)当输入信号中含有噪声时, 频率计算的精度很高,但是,相位差的精度受到影响。其原因在于计算相位差时要用到幅度,而DFT计算出的幅度受噪声影响较大。

　　(2)日本富士公司对来自科氏流量计中两个传感器的信号进行放大,同时将这两个信号送入差动放大器,得到两个传感器的信号之差。多路转换器将这 三个信号顺序送入模/数转换器,送入DSP做DFT,计算出两个传感器信号的相位差,并从中选出一个信号作为参考,去补偿各个传输通道特性差异所造成的误 差[4,5]。这个方案有两个特点。一是在相位差计算时,处理的是差动放大器的输出信号,只用到两个传感器信号的幅值。这样,不需对两个传感器信号进行交 叉采样,避免了初始相位误差。二是将整个处理过程分为测量过程和补偿通道特性差异的过程。在后一过程中,让任一传感器信号通过三个传输通道,然后对这三个 信号做DFT,求出它们各自的幅值和相角。选取其中一个信号作为基准,就可以求出其余通道相对于该通道的差异。合肥工业大学对此方法进行了仿真,发现上述 两个特点在实用性方面存在缺陷[6]。一是两个传感器信号的相位差很小(一般小于4度),故差动放大器的幅值很小,极易受到噪声干扰。二是补偿方法耗时太 多,因为计算一次相位差需要采集6路信号,实时性差。为此,本文针对科氏流量计信号的特点以及信号处理方法上的局限,提出了一种新的信号处理方法,从含有 各种噪声干扰的信号中,准确测得质量流量。首先采用两级多抽一滤波器,对科氏流量计中的两个磁电式传感器的输出信号进行滤波,以减少随机噪声的影响;再采 用自适应陷波滤波方法,以抑制确定性噪声的干扰,提取流量管振动基频的信号,测得其频率,并跟踪其变化。采用频谱分析方法,得到振动管基频处的相位差和时 间延迟,从而测得质量流量。