CN104266732B - 双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，所述方法包括：流量计F₁脉冲信号分两路接入工控机的数据采集卡。一路直接进入，另一路经采集卡上的程控滤波器处理成正弦信号输入；设置正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)，递推求解信号频率ω，根据收敛频率消除低频干扰信号，修正AD采样间隔时间T_s；换向信号触发相位计算，构建超定矩阵，求解信号在换向器换向时刻相位最后，根据信号在换向器换向时刻的相位计数器计数脉冲数N_i，干扰脉冲次数N_d，计算校正后的脉冲计数N。

Description

双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法

技术领域

本发明涉及流量测量设备技术领域，尤其涉及双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法。

背景技术

随着现代工业发展，流量计需求不断增加，尤其是脉冲输出式流量计(在流场稳定情况下，脉冲输出式流量计瞬时流量正比于脉冲频率)得到空前应用，对其快速、准确检定意义重大。通用的检定装置，工控机根据流量计脉冲信号的锁相信号驱动换向器，可对流量计的脉冲信号实现整周期截取。然而，在双台位装置中，并不能保证另一台流量计脉冲计数的测量精度要求。目前，国内外均无双台位流量计检定装置。提高双台位流量计检定装置计数精度的方法可以归结为两路信号相位重合检测法及非整周期截取信号计数精度提高法两种。

相位重合检测法：

⑴常见的相位重合检测电路是D触发器法，但是，如果任何一路测量比对信号或两路测量比对同时存在相位噪声或触发误差，都会对相位重合检测输出脉冲造成比较大的影响，使得最终的相位重合检测存在相位偏差。

⑵专利CN 103176045A提出了一种基于重合脉冲计数的异频双相位重合检测方法。该专利构建了异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、双相位重合检测相位偏差修正电路和门时产生电路，声称解决了传统相位重合检测易受相位噪声和触发误差的影响，存在相位重合检测相位偏差的缺点。事实上，该专利给出的相位修正公式Δφ＝(N2-N1)×(T2-T1)(其中，N2、N1对应两路脉冲的计数值，T2、T1对应两路脉冲的周期)，不适合双台位流量计检定装置脉冲变频率、变脉宽的应用需求。

其它相位重合检测法，例如CN 102680808A、CN 102323739 B、CN103472299 A等，用于双台位流量计检定装置都存在检定时间不确定、需额外配套复杂的硬件装置、不利于基于工控机的检测系统集成等问题。

非整周期截取信号计数精度提高法

①专利CN 103248356 A提出了一种基于锁相环脉冲插值技术的脉冲计数方法。该方法能在几十秒或更短标定时间内，满足0.01％的被检流量计脉冲计数精度要求。然而，在双台位流量计检定装置中应用此专利存在需额外增加硬件设备、不适合于检定仪表系数较小的流量计、并且存在将干扰脉冲倍频恶化测量结果等问题。

其它非整周期截取信号计数精度提高法，例如CN1193503 C、CN102565673 B、CN102931975 A等，一样存在对干扰考虑不周或需额外配套复杂的硬件装置等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，在两倍提高检定效率的同时，能有效抑制干扰信号，及满足两台不同仪表系数流量计检定的高精度要求。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，所述方法包括：

A、流量计F₁脉冲信号分两路接入工控机的数据采集卡；一路直接进入用于计数，另一路经采集卡上的程控滤波器处理成正弦信号输入用于脉冲计数精度补偿；

B、设置正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)，递推求解信号频率ω，根据收敛频率消除低频干扰信号，修正采样AD采样间隔时间T_s，修正程控滤波器的截止频率；

C、换向信号触发相位计算，构建超定矩阵Z，求解信号在换向器换向时刻前向相位和后向相位

D、根据信号在换向器换向时刻的相位计数器计数脉冲数N_i，干扰脉冲次数N_d，计算校正后的脉冲计数N。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明通过将非整周期截取的脉冲信号分两路进入数据采集卡，其中一路作为计数用，另一路通过程控滤波器转换成正弦信号。通过递推求解信号的收敛频率、消除低频干扰；并在求解频率的基础上通过超定方程组求解正弦信号在换向器换向时刻的相位。最后，根据信号在换向器换向时刻的相位、计数器计数脉冲数、干扰脉冲次数，计算校正后的脉冲计数，从而保证了非整周期截取流量计脉冲信号的计数精度。对计量机构中基于工控机的流量计检定装置应用本发明，可直接升级为双台位检定装置，一次检定2台流量计，2倍提高补偿效率，并且无需额外增加任何电路硬件、实时性好、脉冲计数精度高。

附图说明

图1是双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法流程图；

图2是本发明所述的双台位流量计检定装置工作原理框图；

图3a和图3b分别是流量计F₁脉冲序列、F₀脉冲序列脉冲信号时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

下面结合实施例及附图1对本发明作进一步详细的描述：

一种双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法具体步骤包括：

步骤10、流量计F₁脉冲信号分两路接入工控机的数据采集卡；一路直接进入用于计数，另一路经采集卡上的程控滤波器处理成正弦信号输入用于脉冲计数精度补偿；

方法所需采集的其它物理参数包括：换向器换向信号起止时刻t_start、t_end，脉冲电平的AD值ADC。

步骤20、设置虚拟正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)，递推求解信号频率ω，根据收敛频率消除低频干扰信号，修正插值间隔时间T_s。

⑴利用AD对正弦信号采样(f(k)表示正弦信号第k次AD采样值)，设正弦信号前10次采样数据的和为A₁，第11～20次采样数据的和为A₂，第21～30次采样数据的和为A₃，则有

则设置正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)为：

x(0)＝(A₁+A₃)/2A₂

⑵根据正弦信号的特性，有2f(k)cos(ωT_s)＝f(k-1)+f(k+1)，令第k个采样点的cos(ωT_s)＝x(k)，2f(k)＝A、f(k-1)+f(k+1)＝b，递推求频率步骤：

x(k+1)＝x(k)+K(b-Ax(k))

其中，P(n+1)＝(1-KA)P(n)递推求得x(k)收敛值x(k₊)，第i个脉冲的信号频率为：ω_i＝arcos(x(k₊))/T_s；根据求解的频率校正第i个脉冲信号周期，对比脉冲上升沿检测的周期如果存在干扰脉冲次数N_d执行加1操作；

⑶修正插值间隔时间为根据ω_i修正程控滤波器的截止频率。

步骤30、换向信号触发相位计算，构建超定矩阵Z，求解信号在换向器换向时刻相位

⑴记录换向信号来临时刻虚拟正弦信号对应的k值；

⑵对于第一个换向信号，在间按T_s等间隔取样m个数据，求解该时刻的前向相位记前向相位余弦值为x₁、正弦值为x₂，即则由正弦信号的特性有：

由正弦信号的特性有：

令

则上述式子可表示为

Dx＝F

前向相位的特征向量x与后向相位的特征向量x_f求解过程如下：

①求矩阵D的列数c_D；

②构建增广矩阵

③对矩阵Z进行奇异值分解，即Z＝UΣV*；

④取矩阵V*第1到c_D行，1+c_D列至最后一列元素构建新矩阵V_xy，即V_xy＝V*(1:c_D,1+c_D:end)，

⑤取矩阵V*第1+c_D到最后一行，第1+c_D列至最后一列元素构建新矩阵V_yy，即，V_yy＝V*(1+c_D:end,1+c_D:end)；

⑥则相位的特征向量x为，

⑦可得该时刻的相位为，

⑧若程控滤波器导致的相位滞后为则实际滞后相位为

⑶对于第二个换向信号，在间按T_s等间隔取样m个数据，求解该时刻的后向相位的求解过程与前向相位的求解过程一致。

步骤40、根据信号在换向器换向时刻的相位计数器计数脉冲数N_i，干扰脉冲次数N_d，则校正后的脉冲计数N为：

如图2所示，双台位流量计检定装置流程如下，用水经过水泵2从水塔1中抽出，流经稳压容器3、调节阀4、流量计F₀51、流量计F₁52，在换向装置6处换向进入量器7或由回水管8排出。流量计F₀、流量计F₁输出脉冲会由工控机9进行流量计算。该装置可一次检定两台流量计，成倍提高检定效率。

以流量计F₀脉冲信号整周期截取，流量计F₁相位补偿为例，图3a和3b为F₁和F₀脉冲时序图。设F₁第一、二个脉冲上升沿时刻t₁、t₂，F₁倒数第一、二个脉冲上升沿时刻t₄、t₃，换向器换向信号起止时刻t_start、t_end，θ_f、θ_l代表换向器换向时刻信号的相位。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

A、流量计F₁脉冲信号分两路接入工控机的数据采集卡；一路直接进入用于计数，另一路经采集卡上的程控滤波器处理成正弦信号输入用于脉冲计数精度补偿；

B、设置正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)，递推求解信号频率ω，根据收敛频率消除低频干扰信号，修正采样AD采样间隔时间T_s，修正程控滤波器的截止频率；

C、换向信号触发相位计算，构建超定矩阵Z，求解信号在换向器换向时刻前向相位和后向相位

D、根据信号在换向器换向时刻的相位计数器计数脉冲数N_i，干扰脉冲次数N_d，计算校正后的脉冲计数N；

所述步骤B中，虚拟正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)采用如下的获取步骤：

⑴利用AD对正弦信号采样，设正弦信号前10次采样数据的和为A₁，第11～20次采样数据的和为A₂，第21～30次采样数据的和为A₃，则有

$A_1=\underset{k=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}f\left(k\right),A_2=\underset{k=11}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}f\left(k\right),A_3=\underset{k=21}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}f\left(k\right)$

其中，f(k)表示正弦信号第k次AD采样值，则设置正弦信号初值x(0)、逆矩阵初值P(0)为：

x(0)＝(A₁+A₃)/2A₂

$P\left(0\right)=1/A_2^2$

⑵根据正弦信号的特性，有2f(k)cos(ωT_s)＝f(k-1)+f(k+1)，令第k个采样点的cos(ωT_s)＝x(k)，2f(k)＝A、f(k-1)+f(k+1)＝b，其中，f(k)表示正弦信

号第k次AD采样值递推求频率步骤：

x(k+1)＝x(k)+K(b-Ax(k))

其中，P(n+1)＝(1-KA)P(n)

递推求得x(k)收敛值x(k₊)，第i个脉冲的信号频率为：ω_i＝arcos(x(k₊))/T_s；根据求解的频率校正第i个脉冲信号周期，对比脉冲上升沿检测的周期T_i ¹，如果存在干扰脉冲次数N_d执行加1操作；

⑶修正插值间隔时间为根据ω_i修正程控滤波器的截止频率。

2.根据权利要求1所述的双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，其特征在于，所述步骤C中，按超定方程组求解换向器换向信号来临时刻的正弦信号相位；

⑴记录换向信号来临时刻正弦信号对应的k值；

⑵对于第一个换向信号，在间按T_s等间隔取样m个数据，求解该时刻的前向相位记前向相位余弦值为x₁、正弦值为x₂，即则由正弦信号的特性有：

$\left[\begin{array}{cc}\sin \[\mathrm{\ω}(k+1)T_s\]& \cos \[\mathrm{\ω}(k+1)T_s\]\\ \sin \[\mathrm{\ω}(k+2)T_s\]& \cos \[\mathrm{\ω}(k+2)T_s\]\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ \sin \[\mathrm{\ω}(m+k)T_s\]& \cos \[\mathrm{\ω}(m+k)T_s\]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}f(k+1)\\ f(k+2)\\ .\\ .\\ .\\ f(k+m)\end{array}\right]$

令

则上述式子可表示为

Dx＝F

前向相位的特征向量x与后向相位的特征向量x_f求解过程如下：

①求矩阵D的行数r_D与列数c_D；

②构建增广矩阵

③对矩阵Z进行奇异值分解，即Z＝UΣV^T，其中U是r_D×r_D阶的酉矩阵，Σ是半正定的r_D×(c_D+1)阶对角矩阵，而V^T，即V的共轭转置，是(c_D+1)×(c_D+1)阶的酉矩阵；

④取矩阵V^T第1到c_D行，1+c_D列至最后一列元素构建新矩阵V_xy，即V_xy＝V^T(1:c_D,1+c_D:end)，

⑤取矩阵V^T第1+c_D到最后一行，第1+c_D列至最后一列元素构建新矩阵V_yy，即，V_yy＝V^T(1+c_D:end,1+c_D:end)；

⑥则相位的特征向量x为，

⑦可得该时刻的相位为，

⑧若程控滤波器导致的相位滞后为则实际滞后相位为

⑶对于第二个换向信号，在间按T_s等间隔取样m个数据，求解该时刻的后向相位其求解过程与前向相位的求解过程一致。

3.根据权利要求1所述的双台位流量计检定装置脉冲计数精度补偿方法，其特征在于，所述步骤D中，设两次换向时刻内截取的脉冲计数为N_i，校正后的脉冲计数值N，则：