CN101832803B - 基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及科氏质量流量计信号处理装置及方法，具体是一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法。解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题。基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连。本发明有效解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题，广泛适用于各个领域的流体的质量流量测量。

Description

基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法

技术领域

本发明涉及科氏质量流量计信号处理装置及方法，具体是一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法。 

背景技术

科氏质量流量计(科里奥利质量流量计的简称)根据科里奥利原理可直接测量流体的质量流量；其工作原理如下：当有流体流过科氏质量流量计的测量管时，测量管入口侧传感器产生的正弦波信号相位发生滞后，而出口侧传感器产生的正弦波信号相位发生超前，在测量管的振动频率一定的情况下，上述两路正弦波信号相位差正比于流过测量管的流体的质量流量，由于测量管的振动频率随流体密度的变化而变化，故流体的质量流量正比于相位差与振动频率之比，即正比于两路正弦波信号的时间差；因此，能否精确测量流体的质量流量，关键在于能否精确地实时测量测量管入口侧传感器与出口侧传感器的相位差及其振动频率。现有科氏质量流量计信号处理装置及方法中，中国专利CN1214236C公开了使用数字信号处理器(DSP)对振动传感器两路信号的差分信号和其中一路传感器信号进行测量，从而求得流体的质量流量；中国专利CN1104631C公开了使用自适应线性增强技术(ALE)和Goertzel滤波，并进行计算调整补偿在固定采样频率与振动流管的可变频之间的频谱遗漏；中国专利CN1194210C公开了采用多抽一滤波器、自适应漏斗型滤波器(AFF)和滑动Goertzel算法(SGA)处理采样数据，从而得到流体的质量流量；现有科氏质量流量计信号处理装置及方法普遍存在解算精度不高、以及成本较高的问题，为此有必要发明一种具有高解算精度，且成本较低的新型科氏质量流量计 

发明内容

本发明为了解决现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题，提供了一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法。 

本发明是采用如下技术方案实现的：基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置，包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器(DSP)、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连，数字信号处理器(DSP)的输入端与双路同步模数转换器的输出端相连；过零比较电路的输入端和输出端分别连接其中一路信号调理电路的输出端和数字信号处理器(DSP)的输入端。所述双路同步模数转换器、数字信号处理器(DSP)均为现有公知产品，可由市面购得；所述安全栅电路、信号调理电路、过零比较电路均为现有公知结构。 

工作时，两路安全栅电路的输入端分别连接科氏质量流量计的测量管上的入口侧传感器和出口侧传感器，流体流过科氏质量流量计的测量管，两路传感器分别产生两路正弦波信号，正弦波信号首先进入两路安全栅电路，对信号进行防爆隔离，再进入两路信号调理电路，由两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；由其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零比较电路，进行过零比较；而后由两路信号调理电路输出的两路正弦波信号进入双路同步模数转换器，双路同步模数转换器对两路正弦波信号进行模数转换，转换后的两路正弦波信号进入数字信号处理器；过零比较后的正弦波信号亦进入数字信号处理 器，数字信号处理器由此解算出流过测量管的流体的质量流量。 

进一步地，还包括温度检测电路和一路安全栅电路，其中，温度检测电路的输入端与安全栅电路的输出端相连，温度检测电路的输出端与数字信号处理器的输入端相连；所述温度检测电路为现有公知结构；工作时，温度检测电路的输入端通过安全栅电路连接测量管上的温度传感器，负责对测量管的流体温度进行实时检测，数字信号处理器的计算单元根据检测到的流体温度对流体的质量流量计算进行温度补偿。 

基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法(所述方法在本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置中完成)，该方法是采用如下步骤实现的： 

(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安全栅电路，对信号进行防爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信号调理电路输出的两路正弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样；(5)数字信号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤波；(6)数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声；(8)数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的捕获单元对过零比较后的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据两路正弦波信号的相位差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过测量管的流体的质量流量；(11)数字 信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进行测量，通过测得的温度对流体的质量流量解算进行温度补偿。 

与现有科氏质量流量计信号处理装置相比，本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置采用了双路同步模数转换器对两路正弦波信号进行模数转换，消除了两路正弦波信号由于采样非完全同步造成的误差，因而使得解算精度更高，并简化了装置本身的硬件电路设计，从而降低了装置的制造和使用成本；与现有科氏质量流量计信号处理方法相比，本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法具有更高的解算精度。 

本发明有效解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题，广泛适用于各个领域的流体的质量流量测量。 

附图说明

图1是本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置的结构示意图。 

图2是本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法的信号处理框图。 

图3是本发明中加Hamming窗的FIR数字滤波器的幅频性曲线图。 

具体实施方式

基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置，包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连，数字信号处理器的输入端与双路同步模数转换器的输出端相连；过零比较电路的输入端和输出端分别连接其中一路信号调理电路的输出端和数字信号处理器的输入 端；还包括温度检测电路和一路安全栅电路，其中，温度检测电路的输入端与安全栅电路的输出端相连，温度检测电路的输出端与数字信号处理器的输入端相连。 

基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法，该方法是采用如下步骤实现的：(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安全栅电路，对信号进行防爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信号调理电路输出的两路正弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样；(5)数字信号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤波；(6)数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声；(8)数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的捕获单元对过零比较后的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据两路正弦波信号的相位差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过测量管的流体的质量流量；(11)数字信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进行测量，通过测得的温度对流体的质量流量解算进行温度补偿。 

具体实施时，所述步骤(1)中，两路传感器分别产生两路正弦波信号，传感器的振动频率为30-400Hz； 

所述步骤(4)中，数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样，数字信号处理器采用固定采样频率； 

所述步骤(5)中，两路正弦波信号通过数字信号处理器的信号抽取滤波器进行抽取并滤波，其传递函数具体表示如下： 

$H\left(z\right)=\frac{1}{m^n}{\left(\frac{1-z^m}{1-z^{-1}}\right)}^n$

(上式中：m为过采样倍数，n为信号抽取滤波器的阶数；信号抽取滤波器的阶数可采用4阶，过采样倍数可选择8倍或16倍，信号抽取滤波器的零点位于50Hz，可对50Hz工频干扰进行抑制。) 

所述步骤(6)中，数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制，两路正弦波信号的数学表达式表示如下： 

x₁(k)＝Asin(wkT+φ₁)+ε₁(k) 

x₂(k)＝Asin(wkT+φ₂)+ε₂(k) 

对其中一路正弦波信号x₁(k)进行调制如下： 

$X_1=x_1\left(k\right)\sin \left(\mathrm{wkT}\right)=-\frac{A}{2}[\cos (2\mathrm{wkT}+{\mathrm{\φ}}_1)-\cos \left({\mathrm{\φ}}_1\right)]+{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}\left(k\right)$

$X_2=x_1\left(k\right)\cos \left(\mathrm{wkT}\right)=\frac{A}{2}[\sin (2\mathrm{wkT}+{\mathrm{\φ}}_1)-\sin \left({\mathrm{\φ}}_1\right)]+{\mathrm{\ϵ}}_2^{\′}\left(k\right)$

(上式中：A为正弦波信号的幅值，ω为正弦波信号的频率，k为采样时刻序号，T为采样时间间隔，φ为正弦波信号的相位，ε为信号上叠加的噪声) 

同理，对另一路正弦波信号x₂(k)进行调制； 

所述步骤(7)中，数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声，分别得到直流信号X′₁、X′₂，由此求出正弦波信号x₁(k)的幅值A与相位φ₁： 

$A=2\sqrt{{\left(X_1^{\′}\right)}^2+{\left(X_2^{\′}\right)}^2}$

φ₁＝arctan(X′₂/X′₁) 

同理，可以求出另一路正弦波信号x₂(k)的幅值A与相位φ₂； 

低通滤波器采用加Hamming窗的FIR数字滤波器，其截止频率为0.5Hz，阶数为20阶，阻带衰减大于50dB，其幅频性曲线如图3所示；低通滤波器的滤波效果直接影响到正弦波信号的幅值和相位的解算精度； 

所述步骤(8)中，数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；解算公式具体表示如下：θ＝φ₁-φ₂(上式中，θ为两路正弦波信号的相位差，φ₁、φ₂分别为正弦波信号x₁(k)、x₂(k)的相位)；由上式可知，相位差θ与正弦波信号的幅值A无关。 

所述步骤(4)-步骤(8)的信号处理框图具体如图2所示。 

Claims (1)

1.一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安全栅电路，对信号进行防爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信号调理电路输出的两路正弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样；(5)数字信号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤波；(6)数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声；(8)数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的捕获单元对过零比较后的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据两路正弦波信号的相位差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过测量管的流体的质量流量；(11)数字信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进行测量，通过测得的温度对流体的质量流量解算进行温度补偿。

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