CN1095538C - 科氏质量流量计数字信号处理系统 - Google Patents

Abstract

一种以数字信号处理器(DSP)为核心、基于离散傅里叶变换方法(DFT)的科氏质量流量计数字信号处理系统，由信号采集通道、DSP和逻辑控制、液晶显示、键盘输入、温度检测、串行通信、4～20mA输出、激振等电路及软件组成。它采用DFT方法处理科里奥利质量流量传感器的信号，计算其流量管振动基频处的相位差、幅值和频率，测出质量流量。以易实现的、精度较高的频率跟踪方法，实现整周期采样，保证数字信号处理的精度。

Description

科氏质量流量计数字信号处理系统

技术领域

本发明涉及科里奥利质量流量计，特别是一种以数字信号处理器为核心，基于离散傅里叶变换(DFT)的实时信号处理系统。

背景技术

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MicroMotion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求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，可以同时获取体积流量、温度、及密度等；对于影响量，如压力、温度、密度和粘度以及流速分布等不敏感。

但是，由于其工作原理和现有的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数等)，目前此类流量计存还存在一些局限：(1)对噪声特别敏感。而工业现场，噪声各种各样，干扰是无法避免的。这种计数式的信号处理方法易受噪声影响，导致实际的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。

美国微动公司申报了用离散傅立叶变换(DFT)处理科氏流量计的输出信号，并用TMS系列的DSP研制二次仪表的专利(Paul Romano.Coriolics mass flowrate meter having a substantially increased noise immunity.US Patent No.4934196，Jun.19，1990)。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。但是，频率跟踪中的过零采样这一关键技术并没有披露。合肥工业大学徐科军等对此进行研究，给出了具体方法和仿真结果(徐科军，吕迅竑，陈荣保。基于DFT的科氏流量计信号处理方法，中国科学技术大学学报，1998，28(专辑)：180～183；徐科军，吕迅竑，陈荣保。DFT方法处理科氏流量计信号中关键技术的研究，工业仪表与自动化装置，1998(5)：7～10)。然而在实际中，过零采样是很难做到的。合肥工业大学徐科军等有提出了一种不需要过零采样的频率跟踪方法(徐科军，姜汉科，苏建徽等。科氏流量计信号处理中频率跟踪方法的研究，计量学报，1999，19(4)：304～307；徐科军，于翠欣，姜汉科等。Research on Signal Processingof Coriolis Mass Flowmeter，ICEMI’99，Harbin，China，August，18-21，1999，电子测量与仪器学报，1999，13(增刊)：835～841)。但是，但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，测量结果可能存在较大误差。

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(Yoshimura Hiroyuki.Phase difference measuring apparatus for measuring phasedifference between input signals.European patent application，EP0791807A2，27.08.1997；Yoshimura Hiroyuki.Phase difference measuring apparatusand flowmeter thereof.European patent application，EP 0702212A2，20.03.1996)。该方法将两路信号相加得第三路信号，再将三路信号分别通过抗混迭滤波、放大和采样通道进入DSP，并在其中进行带通滤波及DFT转换，计算出相位差，进而计算质量。在计算中幅值始终是一极其重要的参数，并且信号通道增多，因而引进了许多新的误差，需要进行误差补偿，但补偿参数又不易获得精确值。而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。另外，美国微动公司申报专利中的激振电路有问题。激振电路应该与传感器组成一个自激振动系统，该系统始终在流量管的固有频率上振动，并保持振幅的恒定。而美国专利中激振电路的输出信号来自DSP，无法跟踪流量管固有频率的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种以数字信号处理器ADSP2181为核心的、基于离散傅里叶变换(DFT)的科氏质量流量计数字信号处理系统，处理流量计中两个传感器的输出信号，在现场有干扰以及流量管振动基频发生变化时，也能测准流量信号的频率和相位差，从而测准质量流量，保证现场测量精度。

本发明为了实现发明目的，采用了如下技术方案。该系统由数字信号处理器ADSP2181、信号采集通道、逻辑控制电路、LCD显示电路、键盘输入电路、串行通信电路、4～20mA输出电路和激振电路以及软件组成。其中，信号采集通道由放大及低通滤波器、温度检测电路、多路转换器和采样保持及模数转换电路组成。键盘输入完成对系统参数设定、显示内容选择的功能。串行通信接口使系统可以和其它微机或单片机进行通信。激振电路由电压跟随、放大滤波电路、整流电路、增益控制电路、乘法电路、振动过强保护电路、电压放大电路和功率放大电路组成，能自动跟踪流量管固有振动频率的变化，以此频率驱动流量管振动，并保持振幅稳定。软件包括监控程序、中断服务模块、外部中断服务模块、定时中断服务模块、初始化模块、相位差测量模块、频率跟踪模块、键盘监控模块、显示模块通信模块、温度补偿模块和延时子程序。本发明以ADSP2181为处理核心，采用DFT方法，处理流量计信号，计算出流量管振动基频的频率、相位差和幅值，从而得到准确的质量流量。

流量计中的传感器(例如，两个磁电式传感器)将所感受到流量信号转换成电信号；磁电传感器的输出电信号经过放大和滤波器、多路转换器，送到模/数转换器；ADSP2181与模/数转换器之间用中断方式通信。ADSP2181在中断服务程序中读入采样数据，送入数据缓冲区。ADSP2181定时对采样数据进行处理，分为测量初始化阶段、相位差测量阶段和频率跟踪阶段。在初始化阶段，只采集1个传感器的信号进行粗测和细测，得到信号频率的准确值，以便实现整周期采样，保证信号处理的精度。在初始化阶段完成后，就进入相位差测量阶段。以信号频率的整数倍的频率，交叉采集2个传感器的信号，计算其相位差和幅值；再根据仪表参数和通过温度等补偿，可以得到瞬时质量流量值等流量数值。流量管的振动频率会随着被测流体密度的不同而发生变化，为了确保采样频率是信号频率的整数倍，必须定时进行频率跟踪。提出一种容易实现的、精度较高的频率跟踪方法，在一定的频率范围内，变化采样频率，计算功率谱，通过比较功率谱值的大小，确定流量管的振动基频，调整采样频率，实现整周期采样，保证数字信号处理的精度。同时，频率变化量也反映出流体的密度。将瞬时质量流量和密度送入指定数据缓冲区，供LCD显示、模拟量输出等。也可通过积算，给出累积质量流量。传感器的信号送入驱动电路，产生驱动信号，送到电磁激振器的线圈，使流量管振动。

本发明的优点在于：处理系统具有窄带滤波功能，可以准确测得流量管振动基频处的相位差和幅值，有效地抑制了流量计在现场测量中必然存在的流体振动、管道振动、共模压力变化和声波噪声等干扰，提高仪表抗干扰性能，保证现场测量精度；处理系统采用了DSP和相应的软件措施，保证了处理的实时性。

附图说明

图1是本发明系统的硬件框图，系统由数字信号处理器、信号采集通道、逻辑控制电路、LCD显示电路、键盘输入电路、温度检测电路、串行通信电路、4～20mA输出电路和激振电路组成。

图2是本发明系统的部分硬件原理图，包括滤波放大电路1、滤波放大电路2。

图3是本发明系统的部分硬件原理图，包括多路开关和锁存器。

图4是本发明系统的部分硬件原理图，包括温度检测电路。

图5是本发明系统的部分硬件原理图，包括A/D转换转换器。

图6是本发明系统的部分硬件原理图，包括译码器74LS138。

图7是本发明系统的部分硬件原理图，包括数字信号处理器ADSP2181。

图8是本发明系统的部分硬件原理图，包括LCD。

图9是本发明系统的部分硬件原理图，包括键盘输入电路。

图10是本发明系统的部分硬件原理图，包括4～20mA输出电路。

图11是本发明系统的部分硬件原理图，包括串行通信电路。

图12是本发明系统的软件框图。

图13本发明系统的监控程序流程图。

图14是本发明系统激振电路部分的硬件框图，包括电压跟随、放大滤波电路、整流电路、增益控制电路、乘法电路、电压放大电路、振动过强保护电路和功率放大电路。

图15是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括电压跟随和放大滤波电路。

图16是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括整流电路。

图17是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括自动增益控制电路。

图18是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括振动保护电路。

图19是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括乘法电路。

图20是本发明系统激振电路部分的部分硬件原理图，包括功率放大电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

科氏流量计是基于科里奥利力的原理而设计的。流体流过测量管时，如果测量管以某一频率振动，则振动的测量管相当于一个匀速转动的参考系。由于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。其反作用力作用在测量管的两边上，使测量管发生扭曲。测量管两边装着磁电传感器，输出信号是正比于测量管振动速度的电压信号。当振动管是以一定频率振动时，其角速度按正弦规律变化。故由磁电传感器输出的信号是一正弦信号，其频率为角速度的变化频率，大小正比于角速度。测出其两路信号的相位差及信号的峰值，即可计算出流量计的质量流量。

两个传感器的输出信号S1S和S2S分别同时送入两个低通滤波和放大电路。考虑到科氏流量计的信号频率为75Hz～150Hz之间的低频信号，故选用巴特沃斯二阶低通滤波器。低通滤波和放大电路分别由OPAF1、R1、R2、R3、C1、C2、C3以及OPAF2、R4、R5、R6、C5、C6组成，如图2所示。低通滤波和放大电路的输出信号S1V和S2V接到多路开关MAX398的两个输入端，如图3所示。MAX398是八通道的多路开关，其通道选择由ADSP2181的PF口(可编程输入输出口)控制。由于系统中需要用PF口控制的器件较多，所以，有些器件必须共用某些PF口。而多路开关要求在其某通道被选通后，控制信号必须保持一段时间不变。因此，ADSP2181PF口信号要先经过一个锁存器74LS373，再由锁存器输出信号，控制MAX398的地址线A1、A2、A3。MAX398的输出接至模/数转换器AD1674的输入。

由于温度变化时，材料的弹性模量、几何尺寸及流体的密度都会发生变化，这些都将影响管子的振动频率。因此必须不断对温度进行检测，并修正由此带来的测量误差。温度检测是用铂测温电阻，检测电路由OPATM1：A、OPATM：B、R8、R9、R10、R11、R33、R34、R35、R36、C12、C13、C14组成，如图4所示。检测电路为恒压工作方式，其输出接至多路开关MAX398的输入端，由MAX398切换至AD1674。

选用12位的AD1674作为模/数转换器，如图5所示。该芯片内部集成了采样保持放大电路(SHA)，且SHA的采集不需等待状态；具有灵活的数字接口：片内的多模式三态输出缓冲器和接口逻辑允许其直接连接到多数的微处理器上。AD1674与ADSP2181的连接为：ADSP2181的低三位地址信号A2～A0接至译码器74LS138的输入端，如图6所示；ADSP2181的输入输出存储器选择(IOMS)线接至74LS138的使能端，对74LS138进行控制。由74LS138产生的输出信号作为AD1674的片选信号。ADSP2181的PF1口控制AD1674的读与转换选择信号R/C。AD1674的状态信号STATUS连接到ADSP2181的外部中断信号线IRQ2上。在程序运行过程中，如果采样定时时间到，则ADSP2181内部会产生一个定时中断，并开始执行中断服务程序，中断服务程序将AD1674作为一个I/O口进行操作，使其片选信号有效，并将PF1口复位，产生驱动AD1674转换的信号，则AD1674转换开始。经过10μs，AD1674转换完毕，其STATUS位产生由高至低的跳变，向预先设置为边缘触发的ADSP2181的IRQ2口发一个外部中断信号。ADSP2181暂时中止当前工作，转向外部中断服务程序，再次选中AD1674，并发出读数据信号，将AD1674采样来的数据读进ADSP2181，并被保存起来。

选用ADSP-2181 EZ-KIT LITE作为信号处理的核心。ADSP-2181 EZ-KITLITE是一块由ADSP2181芯片组成的最小系统板，板上集成了：ADSP2181数字信号处理器、EPROM、串行口和各种支持电路及接线端子。EPROM通过BYTEDMA口连接到处理器，这个接口只用了24根数据线中的八位(D8～D15)来传递数据，其余地址线中的8位(D16～D23)用于提供附加的地址位。这使得ADSP2181可以达到32M bits(4M Bytes)的存储器。板上的EPROM插槽设计成可以接受从256K Bits到4M Bits的EPROM。板上留有100个接线端子与用户系统相连。这些接线端子包括地址线A0～A13、数据线D0～D23、片选信号IOMS、读信号RD、写信号WR、电源、可编程输入输出口PF0～PF7、串口控制信号等，如图7所示，图中只画出本系统所用到的部分引脚。该板可以独立运行，也可以通过RS232口与PC机相连运行。ADSP2181上运行的监控程序与PC机上运行的主机程序相连可以使用户下载程序或者访问ADSP2181。

ADSP2181的指令周期是30ns，而AD1674的读时序中，从片选信号有效至数据有效需延时150ns，其它一些时间要求也大于30ns。这样AD1674与ADSP2181之间就存在一个时序配合的问题。ADSP2181是把AD1674作为外部存储器来进行操作的，而ADSP2181对外部存储器进行操作时，可以设定0～7个等待周期，即30ns～240ns。所以，将ADSP2181对外部操作的等待周期设置为7，就可以满足时序上的要求。

信号处理过程为：

测量初始化。开机时，系统首先进行初始化，完成对ADSP2181及外设的初始化、检测测量管的振动频率，为质量流量测量作好准备工作。在初始化中，为了既保证测量精度，又减少测量时间，将振动频率的检测分为粗测和细测两个过程。频率粗测以较低的频率分辨率采样，初步确定频率的范围；频率细测则在粗测得到的范围内进行细致的搜索，测量出准确的频率。频率粗测。科氏流量计测量管的振动频率一般在75～150Hz范围内。为满足采样定理，在频率粗测中取采样频率f_s＝320Hz，采样点数取N＝64，所以采样的频率分辨率f_d为f_d＝f_s/N＝320/64＝5Hz                            (1)

对采样来的点进行DFT计算，得到各次谐波的傅里叶系数及功率谱，比较所有的功率谱值，可以得到与最大功率谱值对应的最大的谐波次数N_max(以下简称最大谐波次数)。则信号频率的范围应为 $(f_d{N}_{\max }-\frac{1}{2}{f}_d)\≤f_0\≤(f_d{N}_{\max }+\frac{1}{2}{f}_d).....\left(2\right)$

频率细测。频率粗测的结果只是一个范围，误差最大能达到

，而频率的误差对相位差(即对质量流量)的测量有着决定性的作用，因此这一结果无法直接应用到相位差测量中，必须继续测量以得到更准确的频率。这就是频率细测。细测时使采样频率f_s′在(f_s-f_d)～(f_s+f_d)范围内以一定步长变化，且为保证较高的频率分辨率，采样点数提高到粗测时的2倍，即N′＝128，则信号所对应的最大谐波次数由N_max变为2N_max。此时频率分辨率为 $\frac{f_s-f_d}{N^{\′}}\≤f_d^{\′}=\frac{f_s^{\′}}{N}\≤\frac{f_s+f_d}{N^{\′}}.......\left(3\right)$

当采样频率发生变化时，频率分辨率也随之变化，因此2N_max谐波所对应的频率也不断变化。采样频率每变化一次采样128点，然后DFT计算其第2N_max次谐波的功率谱，将每次计算的结果进行比较，可以得到与最大功率谱所对应的采样频率f_smax。由此可以计算出实际信号的频率为 $f_0=\frac{f_{s\max }}{N^{\′}}*{2N}_{\max }......\left(4\right)$

相位差计算。当信号频率检测出来后，就可进行相位差测量了。取采样频率为信号频率的64倍，采样64点，则信号所对应的谐波次数为1，即基波。对两磁电传感器的输出信号进行交叉采样，并计算出基波的DFT，则可同时得到两路信号的傅里叶系数(a₁，b₁，a₂，b₂)、功率谱(c₁，c₂)及初始相位(α₁，α₂)。 $a_1=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(\mathrm{kT}\right)\cos (2\mathrm{\πk}/N)......\left(5\right)$ $b_1=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(\mathrm{kT}\right)\sin (2\mathrm{\πk}/N).......\left(6\right)$ $a_2=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_2\left(\mathrm{kT}\right)\cos (2\mathrm{\πk}/N).......\left(7\right)$ $b_2=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_2\left(\mathrm{kT}\right)\sin (2\mathrm{\πk}/N).......\left(8\right)$ 式中，0≤k≤N-1. $c_1=\sqrt{a_1^2+b_1^2}.........\left(9\right)$ α₁＝tg(a₁/b₁)                                         (10) $c_2=\sqrt{a_2^2+b_2^2}........\left(11\right)$ α₂＝tg(a₂/b₂)                                         (12)

则两路信号的相位差为 ${\mathrm{\α}=\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arctg}(a_1/b_1)-\mathrm{arctg}(a_2/b_2)=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_1{b}_2-a_2{b}_1}{a_1{a}_2-b_1{b}_2}\right).......\left(13\right)$

故只要求出两路信号在基波处的傅里叶系数，就可以求得两路信号的相位差。但因为是交叉采样，故应考虑去掉两路信号间的滞后时间，即α应去掉一个常数才可以得到相位差。利用DFT求出基波频率出的幅值。再乘上仪表系数，并经过一些修正，就可得到质量流量的数值。

采用以下方法提高相位差测量精度。(1)由于测量相位差时采用间隔采样，带来两路信号初始相位差约为3度，而原来的相位差在0度到4度之间，这使得测量的相位差在3～7度范围内。如果按美国专利中直接使用arctgx＝x的近似公式，会带来较大误差。因此，采用泰勒公式arctgx＝x-x³/3+o(x³)，这样可以提高精度。为了实时处理信号，利用C语言所提供的反正切函数制作一个误差补偿表，通过查表和插值的方法来提高测量精度。(2)美国专利选用的是TMS320系列定点处理芯片，本发明选用的ADSP2181也是定点处理芯片，故本发明系统采用多精度乘、除法，以提高处理精度。

频率跟踪。频率的误差对质量流量的测量有着决定性的作用。而测量管的振动频率与流体密度有着密切的关系，随着流体密度的变化，管子的振动频率也会发生变化。此时如果不改变采样频率，则必然造成非整周期采样，带来较大的误差。因此，在质量流量的测量过程中，必须及时地跟踪频率的变化，以保证足够高的测量精度。综合考虑已测得频率的可能误差、信号频率的变化范围、做其它工作所需要的时间以及进行一次频率跟踪所需的时间，确定出一个合理的频率范围，在其中进行搜索，即在此范围内变化采样频率，计算功率谱，通过比较功率谱值的大小，确定流量管的振动基频，而不是基频的变化，得到更为准确的频率值，并调整采样频率，为下一次相位差测量做准备。

测量结果包括瞬时质量流量、累积质量流量、密度和温度，由液晶显示器(LCD)显示。显示电路如图8所示。选用DG12864作为显示器。DG12864是128^*64点阵、CMOS集成电路驱动的液晶显示器，具有可显示数字、字母、特殊字符、图及表格等多种类型的图形符号；高对比度及很宽的视角范围等特性。DG12864有四个电源信号，其中VDD是逻辑电源，V0是LCD驱动器电源。当VDD有效时，液晶内部可以产生负电源信号VEE，此信号通过电位器连接到V0时，即可以调节此电位器改变V0从而调节液晶的背光，使其与所显示的字符具有最佳的对比度。芯片内点阵分为两部分，分别由CS1和CS2进行选择；芯片的读或写由R/W信号进行控制；D/I信号则用于判别输入是指令还是数据。ADSP2181的PF口控制DG12864的4个操作控制信号CS1、CS2、R/WD/I及复位信号RST。ADSP2181的标志输出口FL2通过一个反相器接到液晶的使能端，当FL2复位时，DG12864使能有效。

键盘与ADSP2181的接口电路如图9所示。键盘输入电路是智能化测量仪表中重要的人机接口电路，用户通过键盘对仪器提供参数并控制其运行。采用非编码键盘。为了简化面板设计，只设置了“设置、右键、上键和确认”四个键，各键并行地接到总线缓冲器74HC365上，ADSP2181通过读总线缓冲器可以识别按键的情况。

4～20mA输出电路如图10所示。AD420进行D/A转换，直接输出4～20mA直流电流。

串行通信电路如图11所示。由于ADSP2181内部带有两个串行通信口：SPORT0、SPORT1，可以和微机或单片机进行串行通信。用SPORT1实现串行通信的功能，使仪表可以通过RS232口与上位机进行通信，构成集散系统或用PC机对系统进行调试。ADM232L进行电平转换输出。

系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由监控程序、中断服务模块及各种功能模块组成。上电时，上电中断服务程序调用监控程序，系统软件开始运行。执行过程中，监控程序根据需要分别调用初始化、流量计算、频率跟踪、键盘监控、显示、通信及温度补偿等子模块，各子模块之间可以相互调用，协同完成特定的任务。中断服务模块则包括定时中断服务模块和外部中断服务模块。系统的软件总体框图如图12所示。

开机时监控程序首先调用初始化模块，完成对系统及各模块的初始化工作，并对传感器信号频率进行粗测和细测。流量计算模块用于计算传感器两路信号间的相位差及信号幅值，从而计算流体的质量流量。频率跟踪模块的任务是定时检测信号频率的变化，对采样频率进行修正，以便保证整周期采样，减小由于非整周期采样带来的误差。键盘监控模块的作用是监测键盘的情况，准确判断是否有键按下，当有键按下时进行正确地识别和处理，使系统及时作出相应的反应。显示器是用户直观地了解系统运行情况的窗口，用户对所显示参数的要求通过键盘输入，然后反映到显示模块，则该模块将响应用户(或系统)的要求，改变所显示的内容。温度对流体的密度以及测量管的有关参数都有影响，这就要求温度变化时必须对这些参数进行修正，以便减少测量误差，这一功能由温度补偿模块完成。当有中断产生时，则根据中断类型调用相应的中断服务子模块。

在整个软件执行过程中，有许多工作需要并行地运行，这就需要有一个统筹、合理地安排，这一任务由监控程序来完成。开机时，系统首先调用监控程序，再由监控程序调用初始化模块，完成对系统及各模块中需要的变量初始化工作；然后监控程序开始依次查询标志寄存器的有关位，如流量计算定时标志位、键盘扫描定时标志位、通信请求标志位等，如果有标志位被置位，则调用相应的子程序，并清除该标志位，为下一次操作做好准备。一次查询完后，监控程序进入等待状态，直到有关中断发生时才开始进入下一次查询。在程序运行过程中，用户可以通过键盘设置参数，程序每次计算完后与用户要求的有关参数相比较，以确定是否需要将有关参数清零以开始新的测量工作。如果已完成所需工作，用户可以由键盘输入测量结束请求，则监控程序停止依次查询，而直接调用键盘扫描和显示程序，显示有关变量。监控程序的流程图如图13所示。

激振系统是科氏流量计的一个重要组成部分。它由机械部分(线圈和磁铁)和电路部分组成。激振电路从安装在测量管上的磁电式速度传感器中取出信号，经过必要的处理，再将信号送到激振器，使测量管以其固有频率持续振动。激振电路的组成部分如图14所示。其具体原理图如图15至图20所示。由磁电式传感器输出的电压信号，其频率在75～150Hz之间，幅值大约为0.3V。为了提高带负载能力，先使信号经过一个电压跟随电路；然后进行初步放大，再进入低通滤波电路，滤掉其中的高频成分如图15所示。输出信号MUL-Y经过一个精密线性全波整流电路，如图16所示，便得到一近似为恒定值的直流信号TPE。该直流信号一方面作为直流增益控制信号，如图17所示；另一方面也是安全振动保护电路的动态输入电压，如图18所示。从直流增益控制电路出来的信号MUL-X与由速度传感器出来的信号MUL-Y相乘，如图19所示，实现用增益控制信号控制激励信号的幅值；二者相乘得到的信号V_m经过电压放大变为V_p，再经过功率放大变为DRIVS，如图20所示，送到激振器。

Claims (6)

1.一种科氏质量流量计信号处理系统，由信号采集通道、数字信号处理器(DSP)、逻辑控制电路、液晶显示(LCD)电路、键盘输入电路、温度检测电路、串行通信电路、4～20mA输出电路和激振电路以及软件组成；流量计中的两个磁电式传感器将所感受到流量信号转换成电信号；磁电传感器输出的电信号经过所述的信号采集通道送到DSP；所述的DSP根据采样频率定时启动所说的信号采集通道中的模/数转换器；在中断服务程序中读入采样数据，送入数据缓冲区；DSP用离散傅里叶变换(DFT)方法处理采样数据，计算其流量管振动基频处的相位差、幅值和频率，再根据仪表参数和通过温度补偿，得到瞬时质量流量值和密度数值；将瞬时质量流量和密度送入指定数据缓冲区，供LCD显示、模拟量输出；也可通过积算，给出累积质量流量；磁电传感器的信号送入激振电路，产生驱动信号，送到电磁激振器的线圈，使流量管振动；整个测量过程分为初始化阶段、相位差测量阶段和频率跟踪阶段；其特征在于所述的信号处理系统在频率跟踪过程中，综合考虑已测得的频率可能存在的误差、信号频率的变化情况、其它工作的时间以及进行一次频率跟踪所需的时间，确定出一个合理的频率范围，采取直接测量信号频率的方法，在其中进行搜索，得到更为准确的信号频率值，即在此范围内变化采样频率，计算功率谱，通过比较功率谱值的大小，确定流量管的振动基频，而不是基频的变化，得到更为准确的频率值，并调整采样频率，为下一次相位差测量做准备；频率跟踪与相位差测量交叉进行，两次频率跟踪之间允许有间隔。

2.根据权利要求1所述的一种科氏质量流量计数字信号处理系统，其特征在于采用DSP实时完成数字信号处理任务；DSP作为系统核心控制系统其他部分协调工作。

3.根据权利要求1所述的一种科氏质量流量计数字信号处理系统，其特征在于信号采集通道由电压放大和低通滤波电路、多路开关和温度检测电路和采样/保持及模/数转换电路组成；两个磁电传感器的输出信号被放大、滤波、切换和模/数转换，由DSP进行处理；温度传感器的信号被转换为电压信号，经模/数转换后用于温度补偿。

4.根据权利要求1所述的一种科氏质量流量计数字信号处理系统，其特征在于在初始化阶段，只采集1个传感器的信号进行粗测和细测，得到信号频率的准确值，以便实现整周期采样；当初始化阶段完成，就进入相位差测量阶段；以信号频率的整数倍的频率，交叉采集2个传感器的信号，计算其相位差和幅值；并定时进行频率跟踪，测出频率数值，以此调整采样频率。

5.根据权利要求1所述的一种科氏质量流量计数字信号处理系统，其特征在于以一种容易实现的、精度较高的频率跟踪方法，在一定的频率范围内，变化采样频率，计算功率谱，通过比较功率谱值的大小，确定流量管的振动基频，调整采样频率，实现整周期采样，保证数字信号处理的精度。

6.根据权利1所述的一种科氏质量流量计数字信号处理系统，其特征在于能自动跟踪流量管固有振动频率的变化、以此频率驱动流量管振动和保持振幅稳定的激振电路部分由电压跟随、放大滤波电路、整流电路、增益控制电路、乘法电路、电压放大电路、振动过强保护电路和功率放大电路组成。

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