CN112729441B - 一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法 - Google Patents

一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法，属于利用脉冲型流量传感器进行流量测量技术领域。技术方案：利用脉冲型流量传感器输出的被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2间周期性稳定单调变化的相位差来实现精准的脉冲计数，提高了流量测量精度。在周期时间内，被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2间具有同步整数关系，计得脉冲个数分别为m和n。由基准脉冲信号f 2构成的检测时间t为n/f 2，根据检测时间t和被检脉冲信号f 1的脉冲个数m，求得流量值。本发明利用脉冲信号f 1和f 2间相位差变化特点，提高了测量分辨率，克服了±1个脉冲的计数误差，进而提高流量测量精度。

Description

一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法，利用基准脉冲信号与被检脉冲信号间的稳定周期性变化的相位差关系，进行信号间的相位差鉴相及脉冲取样实现高精度流量测量，属于利用脉冲型流量传感器进行流量测量技术领域。
背景技术
脉冲型流量计就是流体流过流量计时传感器产生的信号为脉冲频率信号的流量计。脉冲型流量计的仪表系数K为单位体积流体流过流量计时流量计发出的信号脉冲数。其计算式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
上式中K为流量计仪表系数，N为流量计发出的脉冲个数。
流量计的流量q与仪表系数K的线性表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
上式中K为流量计仪表系数，q为流量，a和b为常数。
流量测量过程中的流量、时间、体积的关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
上式中q为流量，V为体积，t为时间，c为常数。
根据式（1），（2），（3）可知，测量系统需要采集测量时间t以及在测量时间内的脉冲个数N，进而求取流量。
常用脉冲采集式流量计检测过程中，由于一般计数器的计数误差为±1个脉冲，引入了较大的读值误差，而且还受检测时间的影响。究其原因，主要是采集到的脉冲数并不能反映其在检测时间内的真实流量，对于周期信号来说，即检测时间与被检脉冲周期不成整数关系。
发明内容
本发明目的是提供一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法，利用基准脉冲信号与被检脉冲信号间的相位差关系，进行信号间的的稳定周期性变化的相位差鉴相及脉冲取样实现高精度流量测量。通过检测两脉冲信号间稳定变化的相位差来控制脉冲计数，以此大大消除±1个脉冲的计数误差，并利用这种稳定变化的相位差来控制检测时间与被检脉冲信号成整数同步关系。本发明测量精度高，电路结构简单、易于实现，解决背景技术中存在的因±1个脉冲计数误差及检测时间与被检脉冲信号不同步而导致脉冲型流量测量精度不高的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法，包含如下步骤：
①利用脉冲型流量传感器输出的被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2之间稳定变化的相位差来实现精准脉冲计数；
本发明的流量测量系统中，针对的是测量过程中使得被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2间存在微小频率偏差值，即被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2具有相同标称频率情况下，它们之间只存在微小频差，这种情况下两脉冲信号间的相位差变化是单调的，而且每隔一个时间T，都会出现相同的相位差值。
简单举例，f 1的频率值为5Hz，f 2的频率值为4Hz，以脉冲信号的上升沿为两频率信号相位差的比较时刻，如图1所示，假设f 1和f 2在初始时刻相位重合，f 1的运行周期值为0.2s，f 2的运行周期值为0.25s，f 1和f 2的相位差依次为△t 1，△t 2，△t 3，△t 4，经过时间T为1s后，f 1和f 2再一次相位重合，之后相位差变化又是△t 1，△t 2，△t 3，△t 4。在此相位重合周期T内，被检脉冲信号f 1有5个整周期，基准脉冲信号f 2有4个整周期。同理，f 1的频率值为10Hz和f 2的频率值为11Hz时，f 1和f 2的相位差也是单调变化，经过时间T为1s后，f 1和f 2再一次相位重合，在此相位重合周期T内，被检脉冲信号f 1有10个整周期，基准脉冲信号f 2有11个整周期。此规律适用于被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2具有相同标称频率情况下，它们之间只存在微小频差的情况。
利用这种稳定变化的相位差构成计数开关，克服了±1个脉冲的计数误差，并且由基准脉冲信号f 2构成的检测时间与被检脉冲信号构成整数同步，进而完成高精度的脉冲型流量测量。
②利用参差鉴相器生成被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2之间的相位差。
③观察两脉冲间相位差的变化，根据相位差的变化情况来调节合成的基准脉冲信号f 2的频率值。当被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2具有相同标称频率且存在微小频差的情况下，相位差呈稳定的周期性单调变化。
④在得到的稳定周期性单调变化的相位差中，利用脉冲取样器提取特定宽度的相位差。
⑤利用提取的特定宽度的相位差构成计数闸门。
⑥在周期时间T内，对被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2分别进行脉冲计数，计得脉冲信号f 1的脉冲个数为m，计得脉冲信号f 2的脉冲个数为n；
⑦计算由基准脉冲信号f 2构成的检测时间t=n/f 2；
⑧最后根据检测时间t和被检脉冲信号f 1的脉冲个数m，求得流量值。
本发明的主要创新点是：利用稳定变化的相位差信号形成计数开关，在此计数开关内对被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2分别进行脉冲计数，然后求出由基准脉冲信号f 2构成的检测时间t，进而求得流量值，本发明可以有很宽的流量测量范围几十Hz到几千Hz，对变化的脉冲信号可以进行高精度的计数。
本发明的积极效果是：仪器结构简单、易于实现，利用被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2间的相位差关系，通过检测两脉冲信号间稳定变化的相位差来控制脉冲计数，以此大大消除±1个脉冲的计数误差，并利用这种稳定变化的相位差来控制检测时间与被检脉冲信号成整数同步关系。
附图说明
图1是本发明的脉冲信号间相位差变化示意图；
图2是本发明的流量测量系统框图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明
如图2所示：
在此流量测量系统中，由计算机控制中心控制DDS合成基准脉冲信号f 2，由脉冲型流量传感器输出被检脉冲信号f 1。基准脉冲信号f 2和被检脉冲信号f 1经由CPLD控制的参差鉴相器生成相位差信号，计算机控制中心检测相位差的变化情况，并根据相位差的变化情况来控制DDS合成基准脉冲信号f 2的频率值。当计算机控制中心控制DDS合成基准脉冲信号f 2和被检脉冲信号f 1有相同的标称值，且只存在微小频差时，两脉冲信号间相位差呈周期性的单调变化。然后利用CPLD控制的脉冲取样器，只允许特定宽度的脉冲输出，并且此特定宽度的脉冲是周期性出现的，此特定宽度的脉冲构成脉冲计数闸门，即相同的相位差值构成计数的开始信号和结束信号。在脉冲计数期间，被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2具有整数同步关系，以此大大消除±1个脉冲的计数误差，流量测量更精准。
利用可编程逻辑器件CPLD控制的参差鉴相器生成相位差信号，即被检脉冲信号f 1的上升沿输入到CPLD时，参差鉴相器输出高电平，合成的基准脉冲信号f 2的上升沿输入到CPLD时，参差鉴相器输出低电平。由于硬件电压分辨率及响应时间的限制，宽度值为零的相位差无法检测生成，只能生成一定宽度值的相位差信号，通过CPLD控制的脉冲取样器来提取出特定宽度的相位差，此相位差脉冲信号构成计数闸门开关。
在计数期间，由于被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2具有整数同步关系，所以在计数期间内被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2的脉冲个数都是整数，计得脉冲信号f 1的脉冲个数为m，计得脉冲信号f 2的脉冲个数为n。
在此计数期间，由基准脉冲信号f 2构成的检测时间t为n/f 2，被检脉冲信号f 1的脉冲个数为m，进而利用计算机控制中心求出流量值。由于计数期间内被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2的脉冲个数都是整数，所以大大消除±1个脉冲的计数误差，进而提高了流量测量的精度。
经过本发明利用脉冲型流量传感器输出的被检脉冲信号与基准脉冲信号间的相位差周期性单调变化特点，在计数时间内被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2具有整数同步关系，大大消除±1个脉冲的计数误差，由此进行的流量测量精度也更高，所以本发明的相对误差很容易降低十几倍到几十倍，而且本发明有很宽的流量测量范围，从几十Hz到几千Hz。

Claims (1)

1.一种基于脉冲型流量传感器的高精度流量测量方法：
Figure 338497DEST_PATH_IMAGE002
计算机控制中心检测参差鉴相器生成的被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2间的相位差变化情况，并根据相位差的变化情况来调节合成的基准脉冲信号f 2的频率值；
当被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2具有相同标称频率且存在微小频差的情况下，相位差呈稳定的周期性单调变化；
Figure 852043DEST_PATH_IMAGE004
在得到的稳定周期性单调变化的相位差中，利用脉冲取样器提取特定宽度的相位差，利用此特定宽度的相位差构成计数闸门；
Figure 100622DEST_PATH_IMAGE006
观察两脉冲间相位差的变化，根据相位差的变化情况来调节合成的基准脉冲信号f 2的频率值；
当被检脉冲信号f 1和合成的基准脉冲信号f 2具有相同标称频率且存在微小频差的情况下，相位差呈稳定的周期性单调变化；
Figure 230252DEST_PATH_IMAGE008
在得到的稳定周期性单调变化的相位差中，利用脉冲取样器提取特定宽度的相位差；
⑤利用提取的特定宽度的相位差构成计数闸门；
⑥在周期时间T内，对被检脉冲信号f 1和基准脉冲信号f 2分别进行脉冲计数，计得脉冲信号f 1的脉冲个数为m，计得脉冲信号f 2的脉冲个数为n；
⑦计算由基准脉冲信号f 2构成的检测时间t=n/f 2；
⑧最后根据检测时间t和被检脉冲信号f 1的脉冲个数m，求得流量值。
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