CN107478290B - 用于流体振动式流量计的信号处理方法及信号处理模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于流体振动式流量计的信号处理方法及信号处理模块，其公开了获取相位差偏差的方法，并对相位差偏差与设定值进行比较报警，将带有干扰信号的一次传感器输出信号输入信号处理模块，经信号处理模块对一次传感器输出信号进行同频相位分析处理后，输出脉宽与相位差成一定关系的脉宽数字信号和直流电平信号，提供给微处理器系统用于流量计工作状况判断，以提高流量计计量正确性和自诊断能力。

Description

用于流体振动式流量计的信号处理方法及信号处理模块

技术领域

本发明涉及流体计量领域，具体涉及一种用于流体振动式流量计的信号处理方法及信号处理模块。

背景技术

流量计是用于测量管道中流体流量的仪表，应用于工业过程控制环境中，指示被测流体流量和选定的时间间隔内被测流体的总量。为了适应不同的用途，有利用多种测量技术的流量计，如涡轮流量计、旋进旋涡流量计、容积式流量计、差压式流量计等。

在特定的流动条件下，一部分流体动能会转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动式流量计。旋进旋涡流量计、涡街流量计是属于流体振动流量计类型，在能源传输环境和能源用户终端中测量流体流量和流体总量的一种流量仪表。

旋进旋涡流量计其工作原理是：进入流量计的流体，通过旋涡发生器产生旋涡，旋涡流在文丘里管中旋进，至收缩段突然节流使旋涡流加速，当旋涡流进扩散段后，因回流作用强迫进行旋进式二次旋转。此时旋涡流的旋转频率与工作条件下介质流速成正比，通过测量与介质流速成正比的旋涡流旋转频率，就可得到流体的流量。流量计算式为：Q = f /k,

式中:f——旋涡频率； k——流量计的仪表系数 Q——流体的瞬时流量

涡街流量计是利用流体自然振荡的原理制成的一种旋涡分离型流量计。在流体中设置旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街。旋涡列的个数即涡街频率与流体的流速成正比。通过测量与介质流成正比的涡街频率，就可得到流体的流量。流量计算式为：Q = f / k,

式中:f——涡街频率； k——流量计的仪表系数 Q——流体的瞬时流量

每台流量计的仪表系数在由法定计量检测机构的标准装置校验时，填写在检定证书中，k值设入配套的二次仪表中，便可显示出瞬时流量和累积总量

旋进旋涡流量计、涡街流量计是流体振动式流量计，根据上述测量原理，该流量计易受机械振动的干扰。当管道发生机械振动时，机械振动也作用于一次传感器上，使其产生对应于振动频率的信号，这个振动干扰信号与流量测量有效信号互相混合，当有效信号幅值小于干扰信号幅值时，会导致计量失效甚至所计的是管道振动频率对应的量而非正常流量。

当管道中介质压力发生变化，会造成明显的压力波动，压力波动将叠加在流体振动信号上导致计量结果产生较大误差，在此状况下，有时流量计虽然能反映流量大小的趋势，但是计量误差较大，严重时会导致计量失效甚至所计的是压力波动频率对应的量而非正常流量。

维持一个适当周期的校准，是解决计量可靠性的一种方法，通常是把流体振动式流量计拆离现场，送到法定计量检测机构利用标准装置进行校准。但是此种方法能校准参比条件下的参数，不能反映现场受压力波动、机械振动影响的状况，因此流量计即使拆离现场，利用标准装置也无法判断其在线计量是否准确。

还有一种公知方法是采用双轨计量对比确认，通过串联一只经校准准确的流量仪表对运行中的流体振动式流量计进行故障确认。如要判断是否因压力波动、机械振动导致计量误差，还应选用不受压力波动、机械振动影响的非流体振动式流量计进行比对，否则将无法准确判断。

这种公知方法增加了流量计数量用于数据对比，以便确认仪表的故障。这些方法不但增加了成本和复杂性，也没有办法对基本部件状况进行在线诊断，因此有必要提供更好的具有在线诊断技术的一种信号处理方法，从而降低成本提高可靠性。

发明内容

为了克服以上的技术不足，本发明提供一种用于流体振动式流量计的信号处理方法及信号处理模块。

本发明提供一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于：

一、建立流量计运算参数库；

二、从安装在同一截面上的至少两个一次传感器获取相位差信号；

三、从步骤一中建立的流量计运算参数库中获取一次传感器的个数、某一传感器与基准传感器的相对位置角度、鉴相器的测量范围等运算参数，并得到相位差初始值Φ₀、直流电平初始值V₀以及相位偏差报警设定值；

四、从步骤二中获得的某一传感器与基准传感器的相位差信号进行运算转换得到相位差值Φ₁和相位差直流电平值V ₁，并从步骤三中获得的该传感器与基准传感器的的相位差初始值Φ₀，经运算获得相位差偏差Φ_ε=| Φ₁- Φ₀|；

五、将相位差偏差、相位差直流电平值与相位偏差报警设定值进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

步骤一中依据流量计的型号和制造参数，建立以一次传感器的个数、并以其中一只一次传感器为基准其它一次传感器与基准传感器的相对位置角度、鉴相器的测量范围、相位偏差报警设定值以及直流电平初始值V₀诸数据元的参数库；所述的相位偏差报警设定值包括相位偏差报警值ε和相位差直流电平报警设定值V_T。

所述步骤三中，针对对称安装双传感器、鉴相电路选用测量范围为π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀为180 º。

所述步骤三中，针对对称安装三传感器、鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀=|±120 º|。

所述步骤三中，针对流量计同一截面安装的多个一次传感器，鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀为以其中任意一个一次传感器为基准点，其他一次传感器与基准点传感器在同一截面上安装的位置角度差的绝对值，作为这两路信号的相位差初始值Φ₀。

根据受干扰程度对计量流程进行处理；并将相位差偏差Φ_ε与相位偏差报警设定值ε进行比较，Φ_ε≥ε，则输出诊断异常信息。

可将相位差直流电平值V ₁与相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

可将相位差直流电平值V ₁与直流电平初始值V₀的运算结果和相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

一种基于上述信号处理方法的信号处理模块，该信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，所述信号处理模块包括微处理器系统、与一次传感器数量一致的信号放大整形电路、鉴相电路、脉宽/电压转换电路、比较器电路、相位差诊断信息输出电路以及基准电压电路，其中信号放大整形电路与鉴相电路连接，并将相位差分别输出到微处理器系统和脉宽/电压转换电路，所述微处理系统将相位差与设定的值进行比较并通过诊断信息输出电路输出诊断信息，所述比较器电路将脉宽/电压转换电路输出与基准电压的输出设定值比较，比较结果通过相位差诊断信息输出电路输出到二次仪表，二次仪表进行相应运算处理。

且安装在流量计的同一截面上。

本发明的有益效果：将带有干扰信号的一次传感器输出信号输入信号处理模块，经信号处理模块对一次传感器输出信号进行同频相位分析处理后，输出脉宽数字信号和干扰信号幅值电平，提供给微处理器系统用于流量计算和流量计工作异常判断，以提高流量计计量正确性和自诊断能力。

附图说明

图1为本发明信号处理模块功能结构及信号流程图。

图2为本发明应用于对称双传感器实例的受干扰程度小时的信号状态示意图。

图3为本发明应用于对称双传感器实例的受干扰程度大时的信号状态示意图。

图4 为本发明相位信号处理模组流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图所示，本发明提供的信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，将带有干扰信号的一次传感器输出信号输入信号处理模块，经信号处理模块对一次传感器输出信号进行同频相位分析处理后，输出可代表流量信号受干扰程度的脉宽数字信号和直流电平信号，提供给微处理器系统用于流量计工作状况判断，以提高流量计计量正确性和自诊断能力。

如图1所示，信号处理模块由用于传感器输出信号处理的硬件电路与用于数字信号处理的微处理器系统9组成。以同一截面对称安装的两只一次传感器为例来说明：例如以其中一只一次传感器设定为参考点，参考点一次传感器输出信号进入S1信号放大整形电路11处理，对信号进行放大、限幅及整形；另一路的一次传感器信号进入S2信号放大整形电路12处理, 对信号进行放大、限幅及整形。然后两路整形后的信号进入鉴相电路Ⅰ10，对信号进行鉴相处理，输出两路信号间的相位差，相位差信号分别送到微处理器系统9、脉宽/电压转换电路15。脉宽/电压转换电路15输出与脉冲宽度对应的电压信号连接到微处理器系统9和比较器电路，微处理器系统9中的相位信号处理模组，将实测的信号值与参数库的参比值进行运算处理，判断流量计计量的有效性和工作状态的异常，通过诊断信息输出输出信息。数字通信模块6与其它设备通讯交流信息。比较器电路将脉宽/电压转换电路15的输出值与基准电压的输出值进行比较处理，处理结果通过相位差Ⅰ诊断信息输出输出信息。

图2所示为对于流量计内同一截面对称安装的两只一次传感器、鉴相电路Ⅰ10采用测量范围为π的鉴相器的一个实例信号示意图。当流体振动信号未受机械振动干扰或压力波动时，S1信号放大整形电路11输出和S2信号放大整形电路12输出为反相，实时相位差Φ₁约为180 º，与初始相位差值Φ₀相等，鉴相电路Ⅰ10输出高占空比脉冲，脉宽/电压转换电路15输出接近基准电压Vm的相位差直流电平值V₁。当仅有压力波动或机械振动干扰时，如图3所示，S1信号放大整形电路11输出和S2信号放大整形电路12输出为同相，实时相位差Φ₁约为0º，鉴相电路Ⅰ10输出低占空比脉冲，脉宽/电压转换电路15输出接近0V 的相位差直流电平值V₁。可见运行状态下的实时相位差Φ₁随流体振动信号强度与压力波动或机械振动干扰信号强度之比而变化，相位差Φ₁越大，说明流体振动信号受干扰程度越低；反之，相位差Φ₁越小，说明流体振动信号受干扰程度越高。鉴相电路Ⅰ10的脉冲占空比与相位差Φ₁成正比关系，脉宽/电压转换电路15输出相位差直流电平值与相位差Φ₁成正比关系。相位差脉宽输出和相位差直流电平值可作为流体振动信号是否有效和受到干扰影响的程度的判断。脉宽/电压转换电路15输出相位差直流电平值V₁与基准电压2提供的相位差直流电平报警设定值V_T，经过比较器电路运算比较，当V₁≤V_T时，即输出诊断异常信息。

对于同一截面对称安装三个一次传感器的实施例，参考图1可在上述安装二只一次传感器的实施例基础上，把第三个一次传感器信号接入S3信号放大整形电路13，然后S1信号放大整形电路11和S3信号放大整形电路13的输出接入鉴相电路Ⅱ14，鉴相电路Ⅰ10和鉴相电路Ⅱ14选用测量范围为2π的鉴相器。因其三只传感器对称分布，其它两个传感器与基准点传感器各有±120 º位移，其相位差初始值Φ₀=|±120 º|。对于流量计内同一截面安装的多只一次传感器，鉴相电路选用测量范围为2π鉴相器的实例，其相位差初始值Φ₀为以某个传感器为基准点，其他传感器与基准点传感器在截面上安装的位置角度差，作为这两路信号的相位差初始值Φ₀。以相位差等于其初始值Φ₀时的脉宽/电压转换电路输出的直流电平信号值，作为直流电平初始值V₀。可将相位差直流电平值V ₁与直流电平初始值V₀的运算结果和相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息；

因此微处理器系统处理相位差信号时，根据一次传感器的个数、相位比较传感器与基准传感器的相对位置以及鉴相器的测量范围参数进行相应运算处理。

信号处理的方法步骤如下：

一、建立流量计运算参数库，依据流量计的型号和制造参数，建立以一次传感器的个数、并以其中一只一次传感器为基准其它一次传感器与基准传感器间的相对位置角度、鉴相器的测量范围、直流电平初始值V₀、相位偏差报警设定值诸数据元的参数库；所述的相位偏差报警设定值包括相位偏差报警值ε和相位差直流电平报警设定值V_T；

二、在运行状态通过鉴相电路，获取其它一次传感器的输出信号与基准传感器输出信号的实际相位差信号；

三、从步骤一中建立的流量计运算参数库中获取一次传感器的个数、某一传感器与基准传感器的相对位置角度、鉴相器的测量范围、相位偏差报警设定值以及直流电平初始值V₀等运算参数，并得到相位差初始值Φ₀；所述步骤三中，针对对称安装双传感器、鉴相电路选用测量范围为π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀约为180 º，针对对称安装三传感器、鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀=|±120 º|，针对流量计同一截面安装的多个一次传感器，鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀为以其中任意一个一次传感器为基准点，其他一次传感器与基准点传感器在同一截面上安装的位置角度差的绝对值，作为这两路信号的相位差初始值Φ₀；以相位差等于其初始值Φ₀时的脉宽/电压转换电路输出的直流电平信号值作为直流电平初始值V₀；

四、从步骤二中获得的某一传感器与基准传感器的实时相位差信号进行运算转换得到相位差值Φ₁和相位差直流电平值V ₁，并从步骤三中获得的该传感器与基准传感器的的相位差初始值Φ₀，经微处理器系统运算获得相位差偏差Φε=| Φ₁- Φ₀|；所述步骤四中可通过鉴相电路和脉宽/电压转换电路输出与Φ₁成对应关系的脉宽信号或直流电平信号；

五、相位差偏差Φε与流体振动信号受干扰强弱正相关，表示了流体计量受干扰程度的大小，运算判断程序根据受干扰程度对计量流程进行相应处理；并将相位差偏差Φε与偏差报警设定值ε进行比较，如Φε≥ε，则输出诊断异常信息；可将脉宽/电压转换电路输出的相位差直流电平值V ₁与相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息；脉宽/电压转换电路输出的相位差直流电平值V₁与直流电平初始值V₀的差值V_ε= |V₁-V₀|，与流体振动信号受干扰强弱正相关，表示了流体计量受干扰程度的大小，运算判断程序根据受干扰程度对计量流程进行相应处理；并将V_ε与V _T进行比较，如V_ε≥V _T，则输出诊断异常信息。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于：其步骤如下：

一、建立流量计运算参数库；

二、从安装在同一截面上的至少两个一次传感器获取相位差信号；

三、从步骤一中建立的流量计运算参数库中获取一次传感器的个数、某一传感器与基准传感器的相对位置角度、鉴相器的测量范围等运算参数，并得到相位差初始值Φ₀、直流电平初始值V₀以及相位偏差报警设定值；

四、从步骤二中获得的某一传感器与基准传感器的相位差信号进行运算转换得到相位差值Φ₁和相位差直流电平值V ₁，并从步骤三中获得的该传感器与基准传感器的的相位差初始值Φ₀，经运算获得相位差偏差Φ_ε=| Φ₁- Φ₀|；

五、将相位差偏差、相位差直流电平值与相位偏差报警设定值进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，步骤一中依据流量计的型号和制造参数，建立以一次传感器的个数、并以其中一只一次传感器为基准其它一次传感器与基准传感器的相对位置角度、鉴相器的测量范围、相位偏差报警设定值以及直流电平初始值V₀诸数据元的参数库；所述的相位偏差报警设定值包括相位偏差报警值ε和相位差直流电平报警设定值V_T。

3.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，所述步骤三中，针对对称安装双传感器、鉴相电路选用测量范围为π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀为180 º。

4.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，所述步骤三中，针对对称安装三传感器、鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀=|±120 º|。

5.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，所述步骤三中，针对流量计同一截面安装的多个一次传感器，鉴相电路选用测量范围为2π的鉴相器，其相位差初始值Φ₀为以其中任意一个一次传感器为基准点，其他一次传感器与基准点传感器在同一截面上安装的位置角度差的绝对值，作为这两路信号的相位差初始值Φ₀。

6.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，根据受干扰程度对计量流程进行处理；并将相位差偏差Φ_ε与相位偏差报警设定值ε进行比较，Φ_ε≥ε，则输出诊断异常信息。

7.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，可将相位差直流电平值V ₁与相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

8.根据权利要求1所述的一种用于流体振动式流量计的信号处理方法，其特征在于，可将相位差直流电平值V ₁与直流电平初始值V₀的运算结果和相位差直流电平报警设定值V_T进行比较，并依据比较结果输出诊断信息。

9.一种基于上述任意一条权利要求所述的信号处理方法的信号处理模块，其特征在于：该信号处理模块设置在流量计一次传感器与流量计二次仪表之间，所述信号处理模块包括微处理器系统、与一次传感器数量一致的信号放大整形电路、鉴相电路、脉宽/电压转换电路、比较器电路、相位差诊断信息输出电路以及基准电压电路，其中信号放大整形电路与鉴相电路连接，并将相位差分别输出到微处理器系统和脉宽/电压转换电路，所述微处理系统将相位差与设定的值进行比较并通过诊断信息输出电路输出诊断信息，所述比较器电路将脉宽/电压转换电路输出与基准电压的输出设定值比较，比较结果通过相位差诊断信息输出电路输出到二次仪表，二次仪表进行相应运算处理。

10.根据权利要求9所述的信号处理模块，其特征在于，所述一次传感器为至少两个，且安装在流量计的同一截面上。