CN101393046A - 一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法，拾取流经测量管的流体介质的含有相移的电信号，电信号经数字信号处理器处理，获得质量流量的相位差，采用相关移动平滑算法对质量流量的相位差进行处理；本发明的有益技术效果为：有效地减小了气体波动对科氏质量流量计的影响，使测量气体介质时的准确度达到测量液体介质的准确度。

Description

一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法

技术领域

本发明涉及一种科氏质量流量计的数据处理技术，尤其涉及一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法。

背景技术

科利奥利(以下简称科氏)质量流量计，是利用介质质量

流过与介质流动方向有垂直运动的测量管时产生的科氏力

有

科氏力作用在测量管上，使测量管振动频率的相移发生变化，即产生相位差

有故即

k为与介质和振动频率有关的常数，介质和振动频率确定，k值就确定，从而能测量介质的质量流量。理论上讲，只要能测得准确的

就能获得准确的

有两种方法获得

一是直接法，二是间接法。

直接法是通过两路振动传感器拾取的信号(正弦波)，经信号调理电路、同步A/D转换器电路，送到DSP处理器，经过一定的算法处理，获得相位差

如授予Romano的美国专利US-4934196(1990年06月19日)采用可变的采样频率，通过离散时间傅立叶变换(DTFT)算法获得相差。授予美国微动公司H.V.德比等的中国专利CN-1190461A(1998年08月12日)采用了基于自适应线性增强(ALE)的自适应陷波滤波器(ANF)和Goertzel算法得到相差。授予徐科军和徐文福的中国专利CN-1467485A(2005年3月23日)采用了自适应漏斗滤波器(AFF)和滑动Goertzel算法(SGA)得到相差。授予西安东风电机公司陈楸等人的中国专利CN-1837758A(2006年9月27日)采用了梳状滤波器和最小二乘法对信号进行谐波分解计算傅立叶系数得到相差。

间接法是通过两路振动传感器拾取的信号(正弦波)，经信号调理电路、电压比较转换电路，送到计数器测得相位差的时间差

而从而获得相位差

如授予J.E.Smith等人的美国专利US-4109524(1978年8月29日)、US-4491025(1985年1月1日)，授予中国测试技术研究院的孙玉声等人的中国专利CN-2241867Y(1996年12月4日)，这些专利已公开了这种流量计的基本原理和方法。

无论采用基于DSP技术的获得频域内的相位差的直接法，还是基于计数器的获得时域内的时间差

的间接法，虽然都能获得准确的

和

其形成的产品在测量液体介质时获得了较高准确度，如(0.1～0.2)％，但是上述各种方法在用于气体介质时，准确度下降为(0.3～0.5)％或更大。究其原因，为气体介质流经测量管时比液体介质的波动更剧烈。因此，在采用上述方法时，即使获得准确的相位差或时间差，应用到气体介质，结果的准确度都会降低。

发明内容

本发明公开了一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法，该方法包括：拾取流经测量管的流体介质的含有相移的电信号，电信号经数字信号处理器处理，获得质量流量的相位差，对所述的质量流量的相位差进行相关移动平滑处理。

采用相关移动平滑算法对质量流量的相位差进行处理的方法为：

(1)定义a＇_i为第i个振动周期内的相关相位差，则有：

${a\′}_i=\frac{1}{2}(a_i+{a\′}_{i-1})$

式中：a_i为第i个振动周期内的相位差，a′_i-1为第i-1个振动周期内的相关相位差，i为自然数，且取a′_-1＝0；

(2)设A为N个振动周期的相关相位差的和，则有：

$A=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_i$

式中：i为自然数，N为计算的振动周期数量。

(3)设Z为M个A相关相位差的和的平均值，则有：

$Z=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j}$

式中：j为自然数；

M为相关相位差的和的数量，即A_j的数量；

$A_j=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j}$ 为第j个N个振动周期内的相关相位差的和；a′_i，j为第j个N个振动周期内，第i个振动周期的相位差a_i，j的相关相位差。

预先设定第i个振动周期内的相位差a_i的最小值a_min和最大值a_max，a_i的值间于最大值和最小值之间，即：a_min≤a_i≤a_max，如果a_i的值不满足a_min≤a_i≤a_max，则取a_i＝a_i-1。

本发明的有益技术效果为：有效地减小了气体波动对科氏质量流量计的影响，使测量气体介质时的准确度达到测量液体介质的准确度。

附图说明

图1，本发明的系统结构框图；

图2，本发明的主程序框图；

图3，相关移动平滑算法程序框图；

图4，相关移动平滑算法与移动平滑算法在不同波动下的均方误差对比图；

附图中：驱动电路220、驱动线圈120、左右磁电检测线圈100L和100R、温度传感器110，温度处理电路210、信号调理电路200、A/D转换器300、微处理器400、EEPROM存储器310、显示器510、输出电路520、键盘电路530；

具体实施方式

在实际工程中，测得的数据可能是相位的时间差

或相位差

由于

故无论测得的是何种数据，其表征的都是介质质量

与科氏力

的关系，为了叙述方便，后文中将

和

统一称为相位差a_i(也即a_i，j)。

参见附图1，采用数字/模拟驱动电路220，经固定在测量管上的驱动线圈120驱动测量管；由固定在测量管上的左右磁电检测线圈100L和100R，拾取流经测量管介质的含有相移的电信号，此电信号经信号调理电路200放大滤波整形后，处理成两路信号，一路送A/D转换器300处理，另一路送到驱动电路220构成闭环驱动控制；经A/D转换器300处理后的A/D信号或计数值，送微处理器400解算获得相位差a_i；其中，温度处理电路210，处理来自温度传感器110的信号，然后将处理后的信号送到A/D转换器300，经A/D转换后再送到微处理器400处理；。

其中，由微处理器400中的主程序来完成对数据的处理，并由主程序发送控制信号到驱动电路220进行驱动，有关数据分别送EEPROM存储器310存储和送LCD液晶显示器510显示，以及送数据到输出电路520输出数据，键盘电路530用于人机对话，由此完成系统功能。

上述微处理器400中的主程序，其程序框图如图2所示；该程序工作过程如下：

1)首先系统初始化(即初始化内部寄存器、硬件端口和LCD，从EEPROM存储器310中读取参数设置工作状态)；

2)然后进入系统自诊断，诊断测量管是否工作正常，诊断各功能模块是否工作正常，如有错误，则显示错误并重新进行系统自诊断，

3)系统自诊断无错误，则查询是否有键按下，有则进入键盘服务子程序；键盘服务子程序完成参数修改后进入相关移动平滑算法子程序；

如无键盘按下，则直接进入相关移动平滑算法子程序(相关移动平滑算法子程序将在后文中详细介绍)；

4)相关移动平滑算法子程序运行完后，进入温度测量子程序，计算测量管温度值；测量的温度值用于相位差的温度修正；经温度修正后的相位差进入参数解算子程序，参数解算子程序计算质量流流量、质量总量、介质密度等相关参数；

5)上述各步骤得到的参数经输出子程序输出；并由数据存储子程序将各个参数进行储存；

6)最后进入更新显示子程序，更新显示后又回到系统自诊断(即步骤1))，从而完成一次循环。

根据介质的流动是连续的，本发明提出了相关移动平滑滤波算法，对获得的相位差a_i进行相关移动平滑处理。

设a_i为第i个振动周期内的相位差，本行业技术人员都知道，当有介质流过振动管时，a_i≠0；当无介质流过振动管时，a_i＝0。

(1)定义a＇_i为第i个振动周期内的相关相位差，该相位差为第i个振动周期内的相位差与第(i-1)个振动周期内的相关相位差的和的一半，即：

${a\′}_i=\frac{1}{2}(a_i+{a\′}_{i-1})$

式中：a_i为第i个振动周期内的相位差，a′_i-1为第i-1个振动周期内的相关相位差，i为自然数，且取a′_-1＝0；

(2)设A为N个振动周期的相关相位差的和，即：

$A=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_i$

式中：i为自然数，N为计算的振动周期数量。

(3)对M个A作平滑滤波，设Z为M个A相关相位差的和的平均值，则有：

$Z=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j$

式中：j为自然数；

M为相关相位差的和的数量，即A_j的数量；

$A_j=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j}$ 为第j个N个振动周期内的相关相位差的和；a′_i，j为第j个N个振动周期内，第i个振动周期的相位差a_i，j的相关相位差。

根据测量管的不同结构，可以预先设定第i个振动周期内的相位差a_i的最小值a_min和最大值a_max，a_i的值介于最大值和最小值之间，即：a_min≤a_i≤a_max，如果a_i的值不满足a_min≤a_i≤a_max，则取a_i＝a_i-1。

现证明a′_i和a_i是等价的。

设S是连续n个振动周期内的相位差的和，则有，

$S=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i=a_0+a_1+a_2+...+a_j+...+a_i$          ①

设S′是连续n个振动周期内的相关相位差的和，则有，

$S\′=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^{\′}=a_0^{\′}+a_1^{\′}+a_2^{\′}+...+a_j^{\′}+...+a_i^{\′}$        ②

由 ${a\′}_i=\frac{1}{2}(a_i+{a\′}_{i-1})$ 得：

$a_0^{\′}=\frac{1}{2}(a_0+a_{-1}^{\′})=\frac{1}{2}{a}_0$                                   ③

$a_1^{\′}=\frac{1}{2}(a_1+a_0^{\′})=\frac{1}{2}{a}_1+\frac{1}{2^2}{a}_0$                               ④

$a_2^{\′}=\frac{1}{2}(a_2+a_1^{\′})=\frac{1}{2}{a}_2+\frac{1}{2^2}{a}_1+\frac{1}{2^3}{a}_0$                           ⑤

$a_j^{\′}=\frac{1}{2}(a_j+a_{j-1}^{\′})=\frac{1}{2}{a}_j+\frac{1}{2^2}{a}_{j-1}+...+\frac{1}{2^j}{a}_1+\frac{1}{2^{j+1}}{a}_0$                  ⑥

$a_i^{\′}=\frac{1}{2}(a_i+a_{i-1}^{\′})=\frac{1}{2}{a}_i+\frac{1}{2^2}{a}_{i-1}+...+\frac{1}{2^i}{a}_1+\frac{1}{2^{i+1}}{a}_0$                   ⑦

把③、④、⑤、⑥、⑦代入②式得

$S\′=\frac{1}{2}{a}_0+\frac{1}{2^2}{a}_0+...+\frac{1}{2^{j+1}}{a}_0+...+\frac{1}{2^{i+1}}{a}_0$

    $+\frac{1}{2}{a}_1+\frac{1}{2^2}{a}_1+...+\frac{1}{2^j}{a}_1+...+\frac{1}{2^i}{a}_1$

    $+\frac{1}{2}{a}_2+\frac{1}{2^2}{a}_2+...+\frac{1}{2^{j-1}}{a}_2+\frac{1}{2^{i-1}}{a}_2$

   

    $+a_j\underset{i=1}{\overset{n-j+1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2^i}$

   

    $+\frac{1}{2}{a}^i$

    $=a_0+a_1+a_2+...+a_j+...+\frac{1}{2}{a}_i$

设第j+1个周期以后，无介质流过振动管，则a_j+1＝0，...，a_i＝0。

则

$S=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i=a_0+a_1+a_2+...+a_j+...+a_i=a_0+a_1+a_2+...+a_j$

$S\′=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^{\′}=a_0+a_1+a_2+...+a_j+...+\frac{1}{2}{a}_i=a_0+a_1+a_2+...+a_j$

所以S＝S′，

故a＇_i和a_i是等价的。

其中，i、j均为自然数。

参见附图3，一种可实现上述处理方法的程序框图(即相关移动平滑算法子程序)，其具体步骤如下：

(1)获取某一N个振动周期内的相位差a_i；

其中，i为某一N个振动周期内相位差a_i的采样次数，i为自然数

(2)判断a_i的取值条件是否满足：a_min≤a_i≤a_max：

满足，则进入步骤3)；

不满足，则取a_i＝a_i-1后进入步骤3)；

其中，a_i-1为上一次采集到的相位差值；

相位差a_i的最小值a_min、最大值a_max的取值范围根据测量管的结构和电路结构来进行预先设定；

(3)对a_i进行如下运算，

${a\′}_i=\frac{1}{2}(a_i+{a\′}_{i-1})$

求得a_i的相关相位差a′_i；

其中，a′_-1＝0；

(4)代入下式进行累加运算，

A＝A+a′_i

其中， $A=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i-1};$

求得相关相位差累计量A；

(5)判断i是否满足i>N：

满足，则完成一个N个振动周期的测量，计算S_j＝S_j+A后，i和A置0，j加1；不满足，则返回步骤1)对这个N个振动周期内的下一个相位差a_i进行处理；

其中， $S_j=\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j},$ S_j为j个N个振动周期内的相关相位差的和，j为自然数；

i为某一N个振动周期内相位差的采样次数，i为自然数；

M为代入计算的N个振动周期的个数，M为自然数；

j为自然数；

(6)判断j是否满足j>M：

满足，则计算Z＝S_j/M后，j置0；

不满足，则返回步骤1)对下一次N个振动周期内的相位差a_i进行处理；

其中，Z为M个N个振动周期内的相关相位差和的M平均值；

M为代入计算的N个振动周期的个数，M为自然数；

j为自然数；

(7)输出Z，这个运算周期结束，进行下一个周期运算；

图4所示，是相关移动平滑算法与移动平滑算法在不同波动下的均方误差的仿真对比图。横坐标是波动程度，以1000为基础，波动程度分别为0，2％，7％，15％，每个波动程度由52个点，移动量n取4，平滑量m取10，用相同的数据源，分别采用相关移动平滑算法和移动平滑算法，再求出均方根误差σ，得到纵坐标。从图中可以看出，在无波动时，两种算法完全一致；在小波动(2％)时，相关移动平滑算法优势不明显；在大波动(7％)时，相关移动平滑算法优势明显。说明此算法能抑制数据波动。

在此基础上试制的多台质量流量计，在1：20流量范围内，介质用水测试，准确度为0.1％，介质用气测试，准确度亦为0.1％。而用移动平滑算法测试，在1：20流量范围内，介质用水测试，准确度为0.1％，介质用气测试，准确度为0.3％。

所以，相关移动平滑算法能很好的拟制气体介质对科氏质量流量计的干扰。

Claims (3)

1、一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法，该方法包括：拾取流经测量管的流体介质的含有相移的电信号，电信号经数字信号处理器处理，获得质量流量的相位差，其特征在于：对所述的质量流量的相位差进行相关移动平滑处理。

2、根据权利要求1所述的一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法，其特征在于：对质量流量的相位差进行相关移动平滑处理的方法为：

(1)定义a′_i为第i个振动周期内的相关相位差，则有：

${a\′}_i=\frac{1}{2}(a_i+{a\′}_{i-1})$

式中：a_i为第i个振动周期内的相位差，a′_i-1为第i-1个振动周期内的相关相位差，i为自然数，且取a＇_-1＝0；

(2)设A为N个振动周期的相关相位差的和，则有：

$A=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_i$

式中：i为自然数，N为振动周期数量。

设Z为M个A相关相位差的和的平均值，则有：

$Z=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j}$

式中：j为自然数；

M为相关相位差的和的数量，即A_j的数量；

$A_j=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a\′}_{i,j}$ 为第j个N个振动周期内的相关相位差的和；a′_i，j为第j个N个振动周期内，第i个振动周期的相位差a_i，j的相关相位差。

3、根据权利要求2所述的一种适用于气体介质的科氏质量流量计的软件处理方法，其特征在于：预先设定第i个振动周期内的相位差a_i的最小值a_min和最大值a_max，a_i的值间于最大值和最小值之间，即：a_min≤a_i≤a_max，如果a_i的值不满足a_min≤a_i≤a_max，则取a_i＝a_i-1。

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