CN113340369B - 一种涡轮燃油质量流量计的信号处理方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种涡轮燃油质量流量计的信号处理方法及设备。本方法首先对输入信号进行模拟滤波和放大，其次对模拟调理后的信号进行快速采集转换为数字信号，最后对数字信号进行数字滤波、脉冲信号过零判断、脉冲过零时间差计算，将脉冲信号的时间差转换为燃油质量流量。本申请采用模拟滤波和数字滤波结合的方式进行信号去噪处理，提升了信号的抗干扰能力；采用快速AD采集原始信号，以数字方式进行后处理，可以获得较好的后处理效果和适应性；采用数字下降沿过零判断，极大提升了信号下降沿过零判断的精度，可以实现小流量的监测，监测精度得到极大提高。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机的控制与燃油系统技术领域，具体涉及一种涡轮燃油质量流量计的信号处理方法及设备。
背景技术
航空发动机的燃油消耗量监测是航空发动机运行监测的重要内容。一方面燃油消耗量是衡量航空发动机性能的重要指标，对航空发动机任务能力、运行状态的评估具有重要意义；另一方面燃油消耗量监测是燃油系统故障诊断的重要手段，通过比较燃油实际消耗量与燃油系统的给定量差异，可以对燃油系统的供油异常进行诊断。当代航空发动机，均配装有涡轮燃油涡轮质量流量计传感器。
涡轮燃油质量流量计传感器在燃油流经传感器时产生两个脉冲信号，通过测量两个脉冲信号的时间差来确定燃油质量流量，燃油质量流量与两个脉冲信号的时间差成正比关系。涡轮燃油质量流量计所产生的脉冲信号属于低频弱小脉冲信号，信号的噪声较大，较容易受到干扰，其频率范围通常为2-10Hz，信号幅值范围通常为-100～400mv。
航空发动机在实际运行过程中，其燃油质量流量变化大，最小到100～200kg/h，最大到5000～9000kg/h，相应的信号幅值变化也很大，最小到-5～15mv，最大到-100～400mv，小流量的时候受信号噪声影响，容易出现测量不到或大误差的情况，在大流量的时候受信号噪声的影响，容易出现较大的误差，最大到100kg/h以上，影响航空发动机运行状态的评估和燃油系统供油故障的诊断。
常用处理方法是对输入信号进行模拟调理，通过幅值比较产生I/O脉冲电平，采用数字方法计算I/O脉冲电平的时间差，最终将脉冲电平的时间差转换为燃油质量流量。该方法的优点是设计简单，易于实现；缺点是模拟滤波的去噪能力有限，导致信号容易受干扰，通过阈值判断将脉冲信号转换为脉冲电平进行下降沿判断，导致信号处理的精度不高，特别是流量较小、信号幅值较小的情况下，存在较大的误差，可能无法满足测量精度要求。
发明内容
本发明实施例的目的在于满足航空发动机全运行范围内运行状态评估和燃油系统供油故障诊断的需求，进一步提升燃油质量流量信号的测量精度和抗干扰能力，提出一种用于涡轮质量流量计信号的高精度处理方法。
为此，本发明所提供的技术方案如下：
一种涡轮燃油质量流量计的信号处理方法，包括：
对输入的模拟信号1和模拟信号2进行处理，得到数字信号1和数字信号2；
采用数字可调低通滤波器对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理；
采用波形过零识别方法对滤波后的所述数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2；
采用高速数字时钟计算所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差；
结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量；其中，所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
在本申请的某些具体实施方式中，得到数字信号1和数字信号2具体为：
对输入的模拟信号1和模拟信号2进行模拟低通滤波、放大调理及模数转换处理，得到数字信号1和数字信号2。
进一步地，在本申请的某些优选实施方式中，得到数字信号1和数字信号2具体为：
分别对输入的模拟信号1和模拟信号2进行二阶模拟低通滤波处理，以降低模拟信号1和模拟信号2的噪声；
对模拟滤波后的模拟信号1和模拟信号2进行放大调理，使其可与后续处理电路的电压相匹配；
对放大调理后的模拟信号1和模拟信号2进行快速AD采样，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样频率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上。
在本申请的某些具体实施方式中，对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理具体为：
采用三个二阶IIR滤波器分别对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理，以降低所述数字信号1和数字信号2的噪声。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种涡轮燃油质量流量计的信号处理设备，包括模拟信号处理模块和数字信号处理模块；
所述模拟信号处理模块用于对输入的模拟信号1和模拟信号2进行处理，得到数字信号1和数字信号2；
所述数字信号处理模块包括：
数字可调低通滤波器，用于接收所述模拟信号处理模块输入的数字信号1和数字信号2，并对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理；
数字过零判断器，用于采用波形过零识别方法对滤波后的所述数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2；
高速数字时钟，用于计算所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差；
转换模块，用于结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量；其中，所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
其中，在本申请的某些具体实施方式中，所述模拟信号处理模块具体用于：
分别对输入的模拟信号1和模拟信号2进行二阶模拟低通滤波处理，以降低模拟信号1和模拟信号2的噪声；
对模拟滤波后的模拟信号1和模拟信号2进行放大调理，使其可与后续处理电路的电压相匹配；
对放大调理后的模拟信号1和模拟信号2进行快速AD采样，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样频率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上。
进一步，在本申请的某些具体实施方式中，所述数字可调低通滤波器具体用于：
采用三个二阶IIR滤波器分别对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理，以降低所述数字信号1和数字信号2的噪声。
实施本发明实施例的有益效果如下：
(1)采用模拟滤波和数字滤波相结合的方式进行信号降噪处理，且数字滤波可以依据传感器特性和测量需求进行调整，提升了信号的抗干扰能力；
(2)采用快速AD采集原始信号，以数字方式进行后处理，可以获得较好的后处理结果和适应性；
(3)采用数字下降沿+阈值进行过零判断，且判断阈值可以根据传感器特性和测量需求进行调整，极大地提升了信号下降沿过零判断的精度，可以实现小流量的监测，监测精度得到极大提高；
(4)满足了航空发动机全运行范围内运行状态评估和燃油系统供油故障诊断的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为涡轮燃油质量流量计的信号原型示意图；
图2为涡轮燃油质量流量计信号高精度处理方法原理图；
图3为模拟低通滤波示意图；
图4为模拟信号放大示意图；
图5为模数转换示意图；
图6为数字可调低通滤波示意图；
图7为数字过零判断示意图；
图8为IIR滤波计算过程图；
图9为过零判断过程图；
图10为涡轮燃油质量流量计信号高精度处理时间差判定原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，涡轮燃油质量流量计传感器在燃油流经传感器时产生两个脉冲信号，通过测量脉冲信号的时间差来确定燃油质量流量，燃油质量流量与脉冲信号的时间差成正比关系。基于该原理，本发明的发明构思是：首先对输入信号进行模拟调理，其次对模拟调理后的输入信号进行快速采集转换为数字信号，最后对数字信号进行数字滤波、脉冲信号过零判断、计算脉冲过零的时间差，将脉冲信号的时间差转换为燃油质量流量。
请参考图2至图8，本发明实施例提供的涡轮燃油质量流量计的信号处理方法主要包括以下步骤：
(1)对输入的模拟信号1和模拟信号2进行处理，得到数字信号1和数字信号2；
例如，a)分别输入的Start、Stop脉冲信号进行二阶模拟低通滤波，降低信号的噪声水平；
b)分别对模拟滤波后的Start、Stop脉冲信号进行放大调理，与后续处理电路电压相匹配；
c)分别对放大调理后的Start、Stop脉冲信号进行快速AD采集，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上。
(2)采用数字可调低通滤波器对数字信号1和数字信号2进行滤波处理。
例如，采用三个二阶IIR滤波器分别对数字信号1和数字信号2进行滤波处理，以降低数字信号1和数字信号2的噪声。其中，滤波计算过程请参考图3，二阶IIR滤波计算公式如下：
y(k)＝b3*x(k-2)+b2*x(k-1)+b1*x(k)-a3*y(k-2)-a2*y(k-1)
其中，x(k)、x(k-1)、x(k-2)为输入采集序列，y(k)、y(k-1)、y(k-2)为滤波输出序列，a1、a2、a3、b1、b2、b3为滤波系数。
(3)采用波形过零识别方法对滤波后的数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2。
其中，过零判断过程请参考图9。
(4)采用高速数字时钟计算过零信号1和过零信号2过零点的时间差。
其中，涡轮燃油质量流量计信号高精度处理时间差判定原理请参考图10。
(5)结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量。其中，过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
实施本发明实施例的有益效果如下：
(1)采用模拟滤波和数字滤波相结合的方式进行信号降噪处理，且数字滤波可以依据传感器特性和测量需求进行调整，提升了信号的抗干扰能力；
(2)采用快速AD采集原始信号，以数字方式进行后处理，可以获得较好的后处理结果和适应性；
(3)采用数字下降沿+阈值进行过零判断，且判断阈值可以根据传感器特性和测量需求进行调整，极大地提升了信号下降沿过零判断的精度，可以实现小流量的监测，监测精度得到极大提高；
(4)满足了航空发动机全运行范围内运行状态评估和燃油系统供油故障诊断的需求。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种涡轮燃油质量流量计的信号处理设备，包括模拟信号处理模块和数字信号处理模块。
其中，模拟信号处理模块用于对输入的模拟信号1和模拟信号2进行处理，得到数字信号1和数字信号2；
所述数字信号处理模块包括：
数字可调低通滤波器，用于接收所述模拟信号处理模块输入的数字信号1和数字信号2，并对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理；
数字过零判断器，用于采用波形过零识别方法对滤波后的所述数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2；
高速数字时钟，用于计算所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差；
转换模块，用于结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量；其中，所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
进一步地，所述模拟信号处理模块具体用于：
分别对输入的模拟信号1和模拟信号2进行二阶模拟低通滤波处理，以降低模拟信号1和模拟信号2的噪声；
对模拟滤波后的模拟信号1和模拟信号2进行放大调理，使其可与后续处理电路的电压相匹配；
对放大调理后的模拟信号1和模拟信号2进行快速AD采样，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样频率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上。
进一步地，所述数字可调低通滤波器具体用于：
采用三个二阶IIR滤波器分别对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理，以降低所述数字信号1和数字信号2的噪声。
需要说明的是，关于信号处理设备更为具体的工作流程，请参考前述方法实施例部分，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种涡轮燃油质量流量计的信号处理方法，其特征在于，包括：
对输入的Start、Stop脉冲信号进行二阶模拟低通滤波处理，降低信号的噪声水平；该Start、Stop脉冲信号为非对称的脉冲信号；
对模拟滤波后的Start、Stop脉冲信号进行放大调理，使其可与后续处理电路的电压相匹配；
对放大调理后的Start、Stop脉冲信号进行快速AD采样，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样频率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上；
采用三个二阶IIR滤波器对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理，进一步降低信号的噪声水平，提升信号判断的精确性；
采用波形过零识别方法对滤波后的所述数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2；
采用高速数字时钟计算所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差；
结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量；其中，所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
2.一种涡轮燃油质量流量计的信号处理设备，其特征在于，包括模拟信号处理模块和数字信号处理模块；
所述模拟信号处理模块用于：
对输入的Start、Stop脉冲信号进行二阶模拟低通滤波处理，降低信号的噪声水平；该Start、Stop脉冲信号为非对称的脉冲信号；
对模拟滤波后的Start、Stop脉冲信号进行放大调理，使其可与后续处理电路的电压相匹配；
对放大调理后的Start、Stop脉冲信号进行快速AD采样，得到数字信号1和数字信号2；其中，采样频率为模拟滤波-40dB频率点的2倍以上；
所述数字信号处理模块包括：
数字可调低通滤波器，用于接收所述模拟信号处理模块输入的数字信号1和数字信号2，并采用三个二阶IIR滤波器对所述数字信号1和数字信号2进行滤波处理；
数字过零判断器，用于采用波形过零识别方法对滤波后的所述数字信号1和数字信号2进行下降沿过零判断处理，得到过零信号1和过零信号2；
高速数字时钟，用于计算所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差；
转换模块，用于结合涡轮燃油质量流量计的特性，将所述时间差转换为燃油质量流量；
其中，所述过零信号1和过零信号2过零点的时间差与燃油质量流量成正比关系。
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