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科里奥利质量流量计的数字信号处理技术的发展方向
  • 科里奥利质量流量计的数字信号处理技术的发展方向

  • 型号 : HL-zhiliang
  • 品牌 : 华陆
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科里奥利质量流量计的数字信号处理技术的发展方向,针对科氏流量计微弱振动信号的特点,更好的提高抗噪声干扰能力;提出更贴近实际的科氏流量计信号模型,从而提高测量精度;研究实时性更强的频率跟踪方法;与一次仪表相结合,解决零漂和小流量测量问题。

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科里奥利质量流量计的数字信号处理技术的发展方向,科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)是70年代末期由美国Micro Motion公司研制出的一种新型质量流量计,可以直接高精度地测量流体质量,是当前发展最为迅速的流量计之一。相对于其它通过体积流量等来间接测量流体质量的流量计来说,科氏流量计具有很多优点:
      (1)其抗蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已较满意地得到解决,因此可以测量范围广泛的介质,如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的流体;
      (2)管道内无障碍物,无可动部件,故障因素少,便于清洗、维护和保养;
      (3)安装简便,各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装;调整、使用方便,不必配置进出口的直管段;
      (4)能较容易地测量多相流体;
      (5)多参数测量,在测量质量流量的同时,可以获取体积流量和密度等;对于影响量,如压力、粘度以及流速分布等不敏感。科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表部分包括振动管(U型管、直管等)、激振器和传感器等。工作时,振动管由激振器激振,当流体流过振动管,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,从而使得管子发生扭曲,其偏转角由两个磁电式传感器拾取。二次仪表的任务是对两个磁电传感感器的输出信号进行处理,测量其相位差的大小,其相位差表示质量流量。
      传统的处理方法是基于模拟电路的信号处理方式,通过二次仪表对两个磁电传感器的输出信号进行处理、放大、滤波、整形、鉴相和计数,测量其相位差的大小。这种信号处理方法存在以下几个问题:
      (1)科氏流量计是基于流体振动原理工作的,所以对噪声格外敏感。而工业现场,噪声各种各样,干扰是无法避免的。这种计数式的测量方法易受噪声影响,导致实际测量精度达不到指标规定的精度;
      (2)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差;
      (3)测量液体流量时,两个信号的相位差一般小于4度。当测量气体时,由于气体产生的科里奥利力小,故相位差更小,处理较为困难。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。
      在用数字信号处理方法计算科氏流量计的相位差的整个处理过程中,需要解决以下关键问题:(1)测量的实时l生;(2)抗干扰能力;(3)计算精度。
      1 国外研究现状
      1990年,美国高准公司申报了用DFT处理科氏流量计的输出信号,并用TMS系列的DSPhttp://www.ngyibiao.com/研制二次仪表的专利。提出将整个信号处理过程分为初始化、相位差测量和频率跟踪三个阶段。在初始化过程中,对信号频率进行粗测和细测,以获得准确的信号频率,实现整周期采样;在相位差测量阶段,计算出相位差;在频率跟踪阶段,测量频率的变化,调整采样频率,以便整周期采样,为下一次相位差计算做准备。
      日本富士公司申报了用矢量分析处理科氏流量计输出信号的专利。该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。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。
      在Bose等人申报的美国专利(No.5734112)中,采用了多抽一滤波和自适应滤波等一系列数字滤波的方法,然后做周期图频谱分析测得频率,在此基础上利用DFT变换而得到相位差。该专利还提出了利用流量管的弯曲和扭曲的两个振动模态之间的关系(流量管的两个模态的振动基频与压力参数成比例),来确定压力参数。,从而进一步校正所测得的质量流量。
      在牛津大学专家Henry申报的美国专利中,采用了基于同步调制的数字信号处理方法,该方法主要思想是通过信号的调制,滤波后构造出反映信号频率和幅度信息的函数。英国牛津大学和Foxboro公司一直在研究数字信号变送器。在2003年,Foxboro公司已经推出了他们的商业产品CFT50,然而对该变送器的数字信号处理技术并没有给予透露。
      另外,由Freeman申请的美国专利中,采用了基于数字锁相环技术来处理传感器信号。该方法采用数字锁相环跟踪信号频率的变化,计算相位差。
      2 国内研究现状
      国内的专家学者也在不断做出努力,采用先进的数字信号处理技术,解决应用上的关键问题。
      文献[1]在频率跟踪阶段采用了过零采样法,即当信号为零时开始计时,经过一个采样周期就开始采样。当过零采样时,信号频率变化,而采样频率不变时,信号频率变化将以初始相位的形式反映出来。若不过零采样,存在初始幅位,就无法确定出频率的变化。然而在实际中,过零采样是很难做到的,而文献[1]对此关键技术没有披露。
      为此,合肥工业大学徐科军等提出了一种不需要过零采样的频率跟踪方法。但是,该方法仅能测量出跟踪过程中的频率的变化,而对在两次频率跟踪之间的频率变化无法检测;且由于测得的是一段时间内频率变化的平均值,测量结果存在一定误差。故又提出了第二种频率跟踪方法,这种方法是利用频率细测的思路,综合考虑已有频率的可能误差、信号频率的变化情况、其它工作时间需要以及进行1次频率跟踪所需的时间,确定出一个合理的频率范围,并在其中进行搜索,通过比较功率谱值得到实际频率,以得到更为精确的频率值。依照以上思路,研制了采用DFT 的、基于DSP的信号处理系统。
      安徽大学史福元用软件方法实现整周期采样,在整个频率搜索过程中也分为粗测和细测两个阶段,与徐科军的思路大致相同。
      针对科氏流量计信号的特点以及信号处理方法上的局限,徐科军等人还提出了一种基于数字滤波技术的信号处理方法,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。
      西北工业大学的仝猛等分析了互相关滤波对相位的影响规律,采用Matlab仿真分析了互相关滤波提高相位差检测精度的效果。提出了采用互相关滤波技术和傅利叶变换提高信号信噪比和相位检测精度的方法。研究认为,互相关滤波可以大大提高信号的信噪比,当序列长度是信号周期的整数倍时,可以保持滤波后的信号相位不变。或当序列长度足够长时,滤波后的信号相位改变很小,可忽略。
      徐科军参照文献[8]提出的方案,把基于数字锁相环技术的信号处理方法应用于科里奥利质量流量计[17]。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,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)http://www.ngyibiao.com/,反馈到输人序列,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(这是因为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。
      倪伟等提出以频率、幅值和相位均按照随机游动模型(Random Walk Mode)变化的信号模拟科氏流量计信号。首先采用基于自适应HR型陷波器的自适应谱线增强器(ALE),将信号中噪声滤除,同时测得信号的频率,并跟踪其变化。然后用重叠的矩形窗对增强后的信号进行截取,采取滑动Goertzel算法得到增强后的信号的相位差和时间差,从而测得质量流量。
      最近,徐科军对文献[5]中提到的基于同步调制的数字处理方法进行了改进,指出了其相位差计算方法的不合理性,给出了正确的公式推导,并进行仿真和性能分析。同时,对科氏流量汁的驱动方法进行了研究和仿真,提出了较为完整的数字驱动方案。
      3 分析与展望
      徐科军等研制的基于DFT频谱分析、以DSP为二次仪表核心的科氏流量计信号处理系统,通过频率跟踪能较准确实现整周期采样,从而得到精确的频率值,相位差的最大误差在±0.1516%以内。但是,该方法存在以下两个问题:(1)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。(2)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。
      矢量分析法不需对两个传感器进行交叉采样,避免了初始相位差。但其在实用性方面存在一些缺陷: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;再者,该仪表对精度要求很高,因此该方法存在较大的局限性和复杂性。
      互相关滤波方法可提高信号的信噪比,进而提高低信噪比条件下科氏流量计的相位差检测精度,但为了保持滤波后的信号相位不变,要求互相关的序列长度是信号周期的整数倍或者足够长,因而在实际应用中有一定的局限性。
      在没有干扰的情况下,基于数字锁相环的处理方法的频率跟踪和相位差计算的精度都很高,并且对谐波和固定频率干扰的抑制能力很强,但是对随机噪声的抑制能力不够强,相对而言,相位差计算受随机噪声影响较大。
      基于同步调制方法的测量信号频偏的范围广和对谐波干扰抑制强,在很短的时间里就能检测到频率偏移。此法利用的是通信上的调制原理和三角函数变换关系。通信上的调制对象一般是固定信号,其信号稳定性好、干扰小。而利用三角函数变换关系的构造函数是建立在纯正弦波形的基础上。所以受随机噪声影响较大。因此这种方法在科氏流量计中应用,还要进一步探讨。
      以上几种方法都是以频率、幅侬和相位不随时问变化的信号模型为研究对象,而实际的科氏流量计信号由于受到管内流体的流速、密度和流体脉动等闲素变化的影响,这些特征是随时间变化的,因此并不能较为真实地反映实际情况。而倪伟提出的以频率、幅值和相位按照随机游动模型变化的信号来模拟科氏流量计信号的方法更接近真实的情况,该方法有一定的研究前景。
      综上,笔者认为,科氏流量计数字信号处理技术的发展方向主要集中在以下几个方面:
      (1)针对科氏流量计微弱振动信号的特点,更好的提高抗噪声干扰能力;
      (2)提出更贴近实际的科氏流量计信号模型,从而提高测量精度;
      (3)研究实时性更强的频率跟踪方法;
      (4)与一次仪表相结合,解决零漂和小流量测量问题
      4 结束语
      国内外的研究工作已部分解决了工程应用中出现的一些难题,推进了科氏流量计的应用,同时为进一步研究创造了条件。随着现场总线技术、智能仪表技术及数字信号处理技术的发展,科氏流量计的研究内容更加丰富。而其中的数字信号处理技术将会以其独特的优势,把科氏质量流量计推上一个新的台阶。科氏流量汁是基于科氏效应的质量流量计,具有一系列独特的优点,在计量检测中发挥越来越大的作用,应用前景非常广阔。因此,把先进的数字信号处理技术应用于科氏流量计的研究将具有重要的意义。
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点击次数:  更新时间:2017-09-20 16:59:37  【打印此页】  【关闭