基于数字锁相环的科氏质量流量计信号处理方法

　　1　引言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)是基于科里奥利力的原理工作的流量计,可以直接测量质量流量,是当前发展最为迅速的流量计之一。流体流过科氏流量计的测量管时,测量管以某一频率振动,由于流体与测量管具有相对运动,所以会受到科里奥利力的作用。这个力作用在测量管两边上的方向是相反的,使测量管发生扭转,流体的质量流量与这个扭转角成正比。流量计中的磁电传感器输出两路频率相同的正弦信号,其相位差表示质量流量。在实际应用中,由于工业现场存在各种谐波干扰和噪声,使得信号不是理想的正弦信号。同时,管子的振动频率随流体密度而变化,导致传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂化。

　　目前,常用的基于放大、滤波、整形和计数的二次仪表测出的是合成波的相位差,并且易受谐波和随机噪声的影响,从而造成测量误差。因此,国外生产流量计的大公司和国内部分高校采用数字信号处理方法处理科氏流量传感器的信号,研制基于数字信号处理器(DSP)的流量计的二次仪表。文献[1]提出了用离散傅里叶变换(DFT)方法处理科氏质量流量传感器信号的方案。文献[2]针对文献[1]中存在的问题,提出了一种容易实现、精度较高的频率跟踪方法,实现整周期采样,保证数字信号处理的精度。文献[3]研制了基于数字信号处理器(DSP)的实时信号处理系统。文献[4]提出了用数字锁相环处理科氏流量传感器信号的方案。

　　本文在参考其思路的基础上,对其加以改进,采用基于数字锁相环的方法去处理科氏质量流量传感器的信号,跟踪信号频率的变化,计算相位差,并对计算误差进行了分析。大量的仿真结果表明,本文所研究的方法是有效的。

　　2　处理方法

　　2·1　概述

　　数字锁相环主要由混频器、滤波器及频率调整环节组成,如图1所示。两个磁电式传感器的输出信号经过采样、保持、量化后得到离散时间序列x1(n)和x2(n),x1(n)和x2(n)进入DSP后都经过完全相同的处理,所以,图1中只画出一路信号。

　　在混频器中,x1(n)先与一复数信号c(n)=exp(-j2πfhnT)相等,使其信号频谱向左移动fh(fh为信号跟踪频率)。若fh=f0(f0为主信号频率),则主信号移到DC位置;接着,梳状滤波器滤去谐波;然后,用多抽一环节对梳状滤波器的输出信号进行抽取,目的是减少计算量。从多抽一环节出来的信号,再分别通过3个FIR滤波器。FIR滤波器有两个作用:(1)除去剩余的干扰;(2)根据输出的比值,通过查表确定频率跟踪误差,以便对跟踪频率fh进行及时的调整。调整后的跟踪频率fh赋给复数信号c(n),反馈到输入序列,进行下一周期的跟踪。在锁相环中设了一个跟踪质量测试环节,对频率跟踪的质量进行测试,以决定是否对跟踪频率进行调整。在跟踪的过程中,有可能出现跟踪误差达不到要求的情况,这时,若仍采用查表的方法将得不到正确的结果(下面将看到,所制定的表格是针对跟踪质量较好时来制定的)。相位估计环节通过对3个FIR滤波器的输出(复数)的幅角来计算相位(3个幅角)的平均值。