CN1858561A - 处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元 - Google Patents
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Abstract
处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，包括模拟信号预处理电路对CMF传感器输出的模拟信号进行预处理；模拟数字信号转换电路，负责将模拟信号预处理电路输出的模拟信号按照设定采样率进行采样，转换为相应的数字量，为实现数字信号处理提供有效数据；数字信号接口电路负责数字信号处理电路对模拟数字信号转换电路的控制以及数字信号的转换；数字信号处理电路负责非线性信号的处理以及流量和密度等流体信息的解算，并实时对模拟数字信号转换电路进行控制；处理结果显示传输以及控制电路，负责将数字信号处理电路解算的流体流量和密度等信息显示给用户。
Description
技术领域
本发明涉及一种处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，使得CMF在实际应用中不受非线性因素的影响，进一步提高测量精度和稳定性。
背景技术
科里奥利质量流量计(Coriolis mass flowmeter，以下简称CMF)的信号处理大多采用模拟电路对两路信号进行滤波和过零点检测，将CMF传感器输出的两路正弦信号转换为两路方波信号，利用两路方波信号的上升沿或者下降沿触发计数电路，通过计数时钟的频率和计数电路得到的计数值即可计算两路信号的相位差和频率，综合流量系数信息解算流体的流量和密度信息。
通过数据采集系统对实际工作中的CMF(以某公司Φ50mm口径双U型管CMF为例)输出信号采样并进行频谱分析发现，输出信号中除了CMF传感器一阶固有频率外，还存在其2倍频和3倍频以及50Hz工频等非线性干扰(见图6)，这与英国布鲁内尔大学的Cheesewright.R等人研究脉动流对CMF测量精度的影响时得到的输出信号频谱图十分相似(见图7)，证实了CMF输出信号中非线性影响因素的存在。
以常见的双U型管CMF为研究对象，一般CMF的一阶固有频率在100Hz左右，其2倍频和3倍频以及50Hz工频等干扰与一阶固有频率十分接近，抑制此类干扰要求滤波器的通带狭窄，过渡带陡峭，利用传统的模拟滤波器很难实现对干扰的抑制，这也正是传统的基于模拟原理CMF在实际应用中精度和稳定性不高的原因所在。利用现代数字信号处理的方法如快速傅立叶变换FFT(Fast fourier transform method)等方法可以对此类问题进行处理，但此类方法计算量大，现有的运算处理器很难达到实时信号处理要求，不适合仪表类信号处理。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服上述CMF传感器工作中存在的非线性因素对测量精度的影响，提供一种处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，旨在减少CMF传感器由于机械结构和现场干扰造成的非线性影响因素而带来的测量误差，提高CMF的测量精度和稳定性。
本发明的技术解决方案：处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于包括以下部分：
模拟信号预处理电路，对CMF传感器输出的模拟信号进行预处理。
模拟数字信号转换电路，负责将模拟信号预处理电路输出的模拟信号按照设定采样率进行采样，转换为相应的数字量，为实现数字信号处理提供有效数据；
数字信号接口电路，以现场可编程门阵列FPGA为核心，负责数字信号处理电路对模拟数字信号转换电路的控制以及数字信号的转换，使之符合数字信号处理器的要求；
数字信号处理电路，以DSP为核心，负责非线性信号的处理以及流量和密度等流体信息的解算，并实时对模拟数字信号转换电路进行控制；
处理结果显示传输以及控制电路，负责将数字信号处理电路解算的流体流量和密度等信息通过液晶显示LCD给用户，通过键盘实现良好的人机交互，并利用RS485数据线将测量单元的计算结果传输给管理级计算机进行显示与管理。
所述的模拟信号预处理电路包括两路信号放大电路和滤波电路，信号放大电路根据模拟数字信号转换电路的要求，将CMF输出的两路微小电信号进行幅度放大，保证两路模拟信号的放大幅度和相位变化一致；滤波电路根据奈奎斯特采样定律要求，对放大后的CMF信号进行低通滤波处理，消除信号中的高频分量，防止模拟数字信号转换电路在进行转换时出现信号混叠。
所述的模拟数字信号转换电路(2)由两片16位模拟数字转换芯片及外围元件组成，由数字信号接口电路(3)控制，完成19.2kHz的实时模数转换。
所述的数字信号接口电路(3)由Altera公司ACEXIK系列的EP1K30QC208芯片及外围配置器件构成，内部设计有模拟数字信号转换电路控制单元、采样时钟控制单元、数据格式转换单元以及与数字信号处理电路接口控制单元。
所述的数字信号处理电路由TI公司的浮点型DSP TMS320VC33-150作为运算核心，辅助1M×8位的AM29LV800FLASH程序存储器，构成最小数字信号处理系统，完成CMF输出的非线性信号的流体流量和密度计算以及温度补偿运算。
所述的处理结果显示传输以及控制电路以单片机C8051F124为核心，负责实时将数字信号处理电路计算的流量和密度信息通过LCD界面显示；用户通过键盘对CMF的各个参数进行相应设置；管理级计算机利用RS485总线，对CMF的状态及参数进行查询和管理。
本发明的原理：采用现代数字信号处理技术，以数字信号处理器DSP为核心，利用高精度A/D对CMF传感器输出信号进行实时采样，通过改进的有限冲击响应FIR(Finite impulse response)滤波算法对输出信号进行滤波处理，消除或削弱非线性影响因素对信号的影响，设计软件的信号频率和相位差检测方法，解算流体的流量和密度等信息。
本发明与现有技术相比的优点：
1.本发明除了模拟信号预处理电路采用模拟器件外，其余均采用数字电路，利用数字信号处理方法计算流体的流量和密度等信息。数字电路不存在模拟电路的温漂、时漂以及两个通道不能完全对称等问题，提高了系统的稳定性。
2.本发明针对输出信号中存在的非线性干扰设计了有效的滤波算法，将非线性影响因素减小，同时采用高速DSP对数字信号进行解算处理，进一步提高了CMF的抗干扰能力和测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的模拟信号预处理电路原理图；
图3为本发明的模拟数字信号转换电路原理图；
图4为本发明的数字信号接口电路和数字信号处理电路原理图；
图5为本发明的处理结果显示传输以及控制电路原理图；
图6为采集传感器输出信号的频谱图；
图7为英国布鲁内尔大学采集传感器输出信号的频谱图；
图8为本发明设计的改进FIR滤波器结构示意图；
图9为本发明CMF传感器输出信号经改进FIR滤波器处理后的频谱图；
图10为本发明设计的信号过零点检测原理示意图；
图11为本发明改进的FIR滤波算法流程图；
图12为本发明的频率相位差检测算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由模拟信号预处理电路1、模拟数字信号转换电路2、数字信号接口电路3、数字信号处理电路4、处理结果显示传输以及控制电路5，模拟信号预处理电路1对CMF传感器输出的模拟信号进行预处理；模拟数字信号转换电路2，负责将模拟信号预处理电路1输出的模拟信号按照设定采样率进行采样，转换为相应的数字量，为实现数字信号处理提供有效数据；数字信号接口电路3，以现场可编程门阵列FPGA为核心，负责数字信号处理电路4对模拟数字信号转换电路2的控制以及数字信号的转换；数字信号处理电路4，以DSP为核心，负责非线性信号的处理以及流量和密度等流体信息的解算，并实时对模拟数字信号转换电路2进行控制；处理结果显示传输以及控制电路5，负责将数字信号处理电路4解算的流体流量和密度等信息显示给用户，通过键盘实现良好的人机交互，并将测量单元的计算结果传输给管理级计算机进行显示与管理。
如图2所示，本发明的模拟信号预处理电路首先采用RC构成低通滤波器，截止频率为6.4kHz，配合后续的A/D采样，达到抗混跌滤波目的。利用高输入阻抗运放OPA627对CMF输出信号进行放大，采用两级反相放大方式，实现40倍信号放大，反馈电阻上并联220pF电容是为了避免电路的振荡而增加的相位补偿电容。图中上下两部分电路完全相同。
如图3所示，本发明的模拟数字转换电路由两片16位并行AD转换芯片AD676和采样率控制电路组成。U1为AD的时钟源，为AD系统提供基本时钟。U2、U3和U4共同组成连续采样率控制电路，负责产生AD转换的时钟和采样率，以及通过与AD芯片的握手实现连续采样控制。U7为AD676的基准源，提供AD转换基准电压。系统同正常工作时，两片AD同时采样，转换完毕后，U5和U6的BUSY共同产生中断信号INTOUT，通知DSP采样完毕，读取数据。
如图4(a)所示，本发明的数字信号处理电路以美国德州仪器TI公司的浮点型DSP(U1)TMS320VC33-150为核心，构建最小数字信号处理系统。U2为DSP的程序存储器，用于存储DSP的运行程序，当DSP上电复位后，其内部引导程序自动运行U2中的应用程序，实现信号处理。U3、U4和U5构成整个系统的复位电路，实现系统整体的手动和上电自动复位。
如图4(b)所示，本发明的数字信号接口电路，由ALTERA公司的FPGA(Field Programmable gate array)ACEX1K50QC208组成，内部程序由框图和AHDL硬件语言直接编辑，实现DSP与及外围电路的并行数字通讯。
如图5所示，本发明的处理结果显示传输以及控制电路以单片机C8051F124为核心，利用其数据总线与数字信号接口电路实现并行数字通讯，采用IO直接输出控制图形点阵液晶模块，显示计算结果和用户输入数据。同时，单片机内部集成了12位AD转换电路，用于CMF传感器温度信号的采集。为了实现高精度的温度信号检测，利用U6(Max6025)为单片机的内部AD提供基准源。U7为RS485转换电路，与单片机的串口相连接，实现测试系统与外界的总线通讯。U2和U3为用户信息存储单元，所有用户的设置信息和CMF的累计测量量均存储在U2和U3中。
本发明采用现代数字信号处理技术，利用DSP的强大运算能力，将改进的FIR滤波算法和频率相位差检测算法利用DSP实现。
改进的FIR滤波算法：由于信号的相位差与流体流量在一定量程范围内成线性关系，CMF的一阶固有频率随流体密度的变化而变化，综合考虑选用具有线性相移特性的有限冲击响应(FIR)带通滤波器进行两路信号的滤波处理。
抽样频率为Ωs＝2π×19200rad/s，截至频率Ωp1＝2π×55rad/s，Ωp2＝2π×125rad/s，阻带起始频率Ωst1＝2π×45rad/s，Ωst2＝2π×135rad/s，阻带最小衰减-30dB。根据阻带衰减，选择β＝2.120的凯泽窗函数，Δω＝3.0π/N，根据Ωs、Ωp1、Ωp2、Ωst1和Ωst2计算Δω≈0.001π。因此N≈3000。
实现3000阶FIR滤波器计算量大，在实际的应用中对硬件资源要求苛刻，较难实现。通过对现有比较成熟的数字滤波器的分析和仿真，设计改进的FIR滤波器来实现实时滤波处理。滤波器结构如图8所示。对A/D采集的数据人为进行二次采样，得到50个子序列，每一数据子序列都相当于原始信号经过频率为19200/50＝384Hz采样得到。
利用标准的60阶FIR带通滤波器对抽取后每一个数据子序列进行滤波，对滤波器输出的50组数据进行反向合成，得到最终滤波结果。每一次滤波运算时，并非对50组数据同时进行FIR滤波处理，而是只对当前一次采样所属的数据子序列进行61次乘法和60次加法的滤波计算。滤波后信号频谱如图9所示。由图9可以看出经过改进FIR滤波处理后，原信号中的2倍频、3倍频以及工频信号得到了较好的抑制，而通带55Hz～125Hz内的信号幅度基本不受影响，证实了改进FIR滤波器的滤波效果较为显著。
频率和相位差检测：利用软件实现输出信号过零点检测。过零点检测原理如图10所示。曲线1和曲线2两路信号经同步采样后，得到一系列数据点(图10中的Δ和×分别表示两条曲线的采样数据点)，通过上述改进的FIR滤波算法处理后，在过零点附近，对数据进行二次曲线拟和(图10中曲线所示)，求出拟和曲线与横轴交点，作为曲线的过零点，计算得到两路信号的相位差和频率。
如图11所示，本发明的改进FIR滤波算法采用了数字信号处理技术中的变采样率技术，将原始的模拟信号以较高的采样率进行采样转换，采样后的离散数字信号再经过抽取技术进行降低采样率处理，在CMF信号处理中，采取50倍的信号抽取，即降低了信号采样率50倍，抽取后的数据再分别进行较低阶数的FIR滤波器(60阶)，然后将分别滤波处理后的数据按照抽取的逆向过程进行数据合成，合成的数据即为滤波后的信号。
如图12所示，本发明的频率相位差检测方法主要依靠检测滤波处理后的信号的过零点信息，进而提取信号的频率和两路信号的相位差。为提高计算过零点的准确度，采用切比雪夫曲线拟合方法，将滤波后的信号过零点附近的离散数字量，拟合为光滑曲线，求解曲线方程的函数解，即可得到信号的频率和两路信号的相位差。
Claims (6)
1、处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于包括以下部分：
模拟信号预处理电路(1)，对CMF传感器输出的模拟信号进行预处理；
模拟数字信号转换电路(2)，负责将模拟信号预处理电路(1)输出的模拟信号按照设定采样率进行采样，转换为相应的数字量，为实现数字信号处理提供有效数据；
数字信号接口电路(3)，以现场可编程门阵列FPGA为核心，负责数字信号处理电路(4)对模拟数字信号转换电路(2)的控制以及数字信号的转换；
数字信号处理电路(4)，以DSP为核心，负责非线性信号的处理以及流量和密度等流体信息的解算，并实时对模拟数字信号转换电路(2)进行控制；
处理结果显示传输以及控制电路(5)，负责将数字信号处理电路(4)解算的流体流量和密度等信息显示给用户，通过键盘实现良好的人机交互，并将测量单元的计算结果传输给管理级计算机进行显示与管理。
2、根据权利要求1所述的处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于：所述的模拟信号预处理电路(1)包括两路信号放大电路和滤波电路，信号放大电路根据模拟数字信号转换电路(2)的要求，将CMF输出的两路微小电信号进行幅度放大，保证两路模拟信号的放大幅度和相位变化一致；滤波电路根据奈奎斯特采样定律要求，对放大后的CMF信号进行低通滤波处理，消除信号中的高频分量，防止模拟数字信号转换电路(2)在进行转换时出现信号混叠。
3、根据权利要求1所述的处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于：所述的模拟数字信号转换电路(2)由两片16位模拟数字转换芯片及外围元件组成，由数字信号接口电路(3)控制，完成实时模数转换。
4、根据权利要求1所述的处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于：所述的数字信号接口电路(3)由Altera公司ACEXIK系列的EP1K30QC208芯片及外围配置器件构成，内部设计有模拟数字信号转换电路控制单元、采样时钟控制单元、数据格式转换单元以及与数字信号处理电路(4)接口控制单元。
5、根据权利要求1所述的处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于：所述的数字信号处理电路(4)由TI公司的浮点型DSP TMS320VC33-150作为运算核心，辅助1M×8位的AM29LV800FLASH程序存储器，构成最小数字信号处理系统，完成CMF输出的非线性信号的流体流量和密度计算以及温度补偿运算。
6、根据权利要求1所述的处理科里奥利质量流量计非线性输出信号的测量单元，其特征在于：所述的处理结果显示传输以及控制电路(5)以单片机C8051F124为核心，负责实时将数字信号处理电路(4)计算的流量和密度信息通过LCD界面显示；用户通过键盘对CMF的各个参数进行相应设置；管理级计算机利用RS485总线，对CMF的状态及参数进行查询和管理。
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