混頻算法在科氏質(zhì)量流量計(jì)上的應(yīng)用

蘇剛琴，秘長(zhǎng)青

（中航工業(yè) 太原太航流量工程有限公司，太原 030006）

0 引言

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)科里奧利原理可直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量。當(dāng)有流體流過測(cè)量管時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于流體質(zhì)量流量的科氏力，使測(cè)量管入口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)相位發(fā)生滯后，而出口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)相位發(fā)生超前。在測(cè)量管的振動(dòng)頻率一定的情況下，上述兩路正弦波信號(hào)相位差正比于流過測(cè)量管的流體的質(zhì)量流量，由于振動(dòng)頻率隨流體密度的變化而變化，故質(zhì)量流量正比于相位差與振動(dòng)頻率之比，即正比于兩路正弦波信號(hào)時(shí)間差。只有精確地實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器的相位差及其振動(dòng)頻率，才能達(dá)到精確測(cè)量流體的質(zhì)量流量的目的。同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的流體溫度，對(duì)質(zhì)量流率及密度進(jìn)行校正，以補(bǔ)償管道的剛性，根據(jù)質(zhì)量流率及密度還可計(jì)算出體積流率。

科氏質(zhì)量流量計(jì)已知的測(cè)量相位差的方法中，有根據(jù)兩路正弦波信號(hào)經(jīng)調(diào)理后檢測(cè)其過零點(diǎn)的時(shí)間差，也有利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換以得到兩路同頻信號(hào)的相位差，還有基于矢量?jī)?nèi)積法來測(cè)量相位差，以及基于正交雙通道算法來測(cè)量相位差[1-4]。本文應(yīng)用混頻算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出科氏質(zhì)量流量計(jì)振動(dòng)管上兩路同頻信號(hào)之間的相位差，并根據(jù)捕獲到的信號(hào)頻率，最終解算出流體的質(zhì)量流量。

1 混頻算法的基本原理

混頻算法的信號(hào)處理框圖見圖1所示?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)的振動(dòng)傳感器信號(hào)可以描述為一系列正弦函數(shù)的和，通過合適的濾波，可將其基波信號(hào)的信息提取出來[5]。在二次儀表的信號(hào)調(diào)理電路中采用積分濾波電路，濾除掉傳感器輸出的帶噪聲的時(shí)變正弦小信號(hào)中高次諧波與尖峰噪聲，再經(jīng)過放大電路進(jìn)行入A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行過采樣，再通過SINC濾波器，對(duì)過采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取并濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)應(yīng)用DSP進(jìn)行混頻運(yùn)算，解算出兩路同頻信號(hào)的相位差。要提高科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度，關(guān)鍵是要通過提高對(duì)傳感器輸出信號(hào)的相位差的測(cè)量精度來實(shí)現(xiàn)。采用混頻法檢測(cè)傳感器信號(hào)的相位差，提高了測(cè)量精度與計(jì)算速度，可達(dá)到理想的郊果。將兩路傳感器的輸出信號(hào)表示如下

上述公式中A為傳感器輸出信號(hào)的幅值，ω為信號(hào)頻率，φ為信號(hào)的相位差，ε為高倍頻干擾信號(hào)或噪聲。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采樣，用一本振信號(hào)

與x1、x2進(jìn)行混頻處理并濾波后，得到

解算出φ值，即相位差。由相位差信息、捕獲的傳感器振動(dòng)頻率及介質(zhì)溫度，可計(jì)算出介質(zhì)的瞬時(shí)流量、密度及總量等數(shù)據(jù)。

圖1 混頻算法的信號(hào)處理框圖Fig.1 Block diagram of mixing algorithm

采用混頻算法計(jì)算兩路同頻信號(hào)的相位差，需要實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)的頻率，當(dāng)信號(hào)頻率與傳感器的瞬時(shí)頻率有誤差時(shí)，通過頻率對(duì)相位進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)一步提高相位差的檢測(cè)精度。

2 混頻算法的應(yīng)用

基于混頻算法的科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量方法，首先對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)傳感器的兩路輸出信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理后，由雙路同步AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，傳送數(shù)據(jù)到數(shù)字信號(hào)處理器DSP，由DSP對(duì)采樣數(shù)據(jù)歸一化后，進(jìn)行混頻處理，即對(duì)傳感器的非線性時(shí)變信號(hào)，通過與一本振信號(hào)混合，在時(shí)域中進(jìn)行變頻運(yùn)算，得到所需的頻率信號(hào)，再經(jīng)過濾波，最終計(jì)算出傳感器信號(hào)的相位差信息。同時(shí)，對(duì)其中一路信號(hào)進(jìn)行過零比較，由DSP的捕獲單元捕捉其振動(dòng)頻率，從而得到科氏質(zhì)量流量計(jì)振管的振動(dòng)頻率。由振動(dòng)頻率與相位差信息，計(jì)算出流過振管的流體介質(zhì)的質(zhì)量流量與密度。同時(shí)根據(jù)流體介質(zhì)的溫度，對(duì)流體的質(zhì)量流量與密度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到實(shí)際的質(zhì)量流量與密度值?；诨祛l算法的科式質(zhì)量流量計(jì)變送器原理框圖如圖2所示。

圖2 混頻算法的變送器原理框圖Fig.2 Block diagram of transm itter base on m ixing algorithm

3 標(biāo)定結(jié)果

運(yùn)用混頻算法對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)兩路傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，最終解算出流體的質(zhì)量流量?；谠撛淼臄?shù)字質(zhì)量流量變送器樣機(jī)在公司標(biāo)定站配標(biāo)不同型號(hào)的質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 流量計(jì)測(cè)試記錄1Table 1 Flow meter test record 1

表1中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航DN50傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動(dòng)頻率為70Hz左右。從表1中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性±0.05%，標(biāo)定量程比達(dá)到30:1。

表2 流量計(jì)測(cè)試記錄2Table 2 Flow meter test record 2

表2中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航DN25傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動(dòng)頻率為80Hz左右。從表2中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性在 ± 0.05%以內(nèi)，標(biāo)定量程比為15:1。

從以上兩組標(biāo)定數(shù)據(jù)可以看出，基于混頻算法的質(zhì)量流量數(shù)字變送器，與模擬變送器相比，提高了測(cè)量精度及計(jì)算速度，擴(kuò)大了量程比，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)論

基于科里奧利原理的質(zhì)量流量計(jì)，其傳感器的相位差測(cè)量方法國(guó)內(nèi)外有許多種[4][5]，本文將混頻算法的相位差測(cè)量方法應(yīng)用在質(zhì)量流量變送器上，該算法濾掉了信號(hào)中的低頻干擾、高次諧波及噪聲，對(duì)于提高儀表的測(cè)量精度，擴(kuò)大量程比，抑制噪聲等都有很大的優(yōu)勢(shì)。變送器樣機(jī)連接不同口徑、不同頻率的傳感器進(jìn)行了實(shí)際標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。擴(kuò)大量程比拓寬了質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用范圍，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的作用。

[1]恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量和運(yùn)行電路{P}.中國(guó)專利：ZL 01815586.3,2005-8-10

[2]微動(dòng)公司.用于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的自適應(yīng)線性增強(qiáng)方法和裝置{P}.中國(guó)專利：ZL 96195446.9,2003-4-2

[3]田桂平,萬鈞力,陳艷濤.基于矢量?jī)?nèi)積法的高精度數(shù)字相位差計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2004,(10)：16-18.

[4]李澤光.基于正交雙通道算法的相位差測(cè)量[J].儀器與儀表,2004,(2)：21-22.

[5]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.輔助信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005：147-150.