科氏質(zhì)量流量計(jì)相位差檢測新方法
摘要 基于科氏質(zhì)量流量計(jì)的工作機(jī)理和實(shí)際工作情況下的信號(hào)頻譜分析 ,提出了切實(shí)可行的相位差檢測新方法。設(shè)計(jì)了改進(jìn)的 FI R數(shù)字濾波器 ,實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波處理 ,有效地抑制了噪聲的干擾 ,為科氏質(zhì)量流量計(jì)的高精度測量提供了保證。 同時(shí)該新方法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ,所提出的方法和設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。
圖 1 U 型管質(zhì)量流量計(jì)工作機(jī)理
質(zhì)量流量和相位差的關(guān)系為:Qmk= KhBB (1)式中: Qm 為流過管子的質(zhì)量流量 ( kg /s);k為系統(tǒng)的主振動(dòng)角頻率 ( rad /s);K 為與測量管的形狀、尺寸、材料和激勵(lì)信號(hào)等有關(guān)的系數(shù) ( kg /s2 );B B′為 , ’ 的相位差 ( rad)。
圖 2 相位差檢測原理示意圖
因此 ,作者提出采用數(shù)字式過零點(diǎn)的相位差檢測新原理 ,即利用 DSP對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行時(shí)域分析 ,計(jì)算出過零點(diǎn)的時(shí)間差 ,進(jìn)而得出信號(hào)相位差。
圖 3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理前的頻譜圖
由于傳統(tǒng)的 3000階數(shù)字濾波器運(yùn)算量很大 ,在實(shí)際的應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。 通過對(duì)現(xiàn)有比較成熟的數(shù)字濾波器的分析和計(jì)算機(jī)仿真 ,設(shè)計(jì)了改進(jìn)的有限沖擊響應(yīng)帶通濾波器 ( FIR)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)濾波處理。 帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
圖 4 改進(jìn)的濾波算法結(jié)構(gòu)
對(duì)AD采集的數(shù)據(jù)人為進(jìn)行二次采樣 ,得到 50個(gè)子序列 ,每一數(shù)據(jù)子序列都相當(dāng)于原始信號(hào)經(jīng)過頻率為 19200 /50= 384Hz采樣得到的。 利用標(biāo)準(zhǔn)的 60階FIR帶通濾波器 ( Wn = [ W1 , W2 ]= [0. 1432, 0. 3125 ])對(duì)抽取后每一個(gè)數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行濾波 ,對(duì)濾波器輸出的 50組數(shù)據(jù)進(jìn)行反向合成 ,得到***終濾波結(jié)果。 每一次濾波運(yùn)算時(shí) ,并非對(duì) 50組數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行 FIR濾波處理 ,而是只對(duì)當(dāng)前一次采樣所屬的數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行61次乘法運(yùn)算和 60次加法運(yùn)算。
圖 5 數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后的頻譜圖
改進(jìn) FIR帶通濾波器提高了信號(hào)的信噪比 ,并且兩路信號(hào)相移相同 ,因此 ,有效地保證了上述相位差檢測算法的精度。為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 ,系統(tǒng)必須在兩次采樣時(shí)間間隔內(nèi) ,完成兩路數(shù)據(jù)的濾波、曲線擬和以及過零點(diǎn)、相位差和頻率的計(jì)算。
過零點(diǎn)檢測算法的結(jié)構(gòu)如圖 6所示。通過軟件實(shí)時(shí)檢測濾波后數(shù)據(jù) ,當(dāng)出現(xiàn)過零點(diǎn)、相位差和頻率的計(jì)算。過零點(diǎn)檢測算法的結(jié)構(gòu)如圖 6所示。通過軟件實(shí)時(shí)檢測濾波后數(shù)據(jù) ,當(dāng)出現(xiàn)x ( n )> 0, x ( n+ 1) < 0或者 x ( n ) < 0, x ( n+ 1)> 0,即認(rèn)為過零點(diǎn)在 x (n )和 x (n+ 1)之間 ,因此將 x ( n )前后各 5個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)到指定的存儲(chǔ)單元 ,為切比雪夫曲線擬和提供原始數(shù)據(jù)。通過仿真計(jì)算 ,采用 2次曲線擬和就可以達(dá)到很高的計(jì)算精度。擬和后的 2次曲線 ,通過傳統(tǒng)的解方程的形式來計(jì)算信號(hào)的過零點(diǎn) ,在實(shí)際應(yīng)用中舍棄解方程中在 x ( n )和 x ( n+ 1)之外的那個(gè)根。
這樣就可以根據(jù)兩路信號(hào)的過零點(diǎn)來計(jì)算信號(hào)的相位差。 由于系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔為 52. 08μs ( 1 / 19200 Hz) , DSP(以 TM S320V C33為例 )的運(yùn)算速度為每個(gè)指令周期 17ns,完成一次采樣、濾波和相位差算法所需要指令周期為 17ns× 2000= 34μs,所以在采樣的時(shí)間間隔內(nèi) D SP完全可以完成計(jì)算 ,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
圖 6 相位差算法結(jié)構(gòu)
3 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
為了驗(yàn)證算法的精度 ,首先 ,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下 ,利用 N I-D AQ 6110E兩路 16位 DA產(chǎn)生兩路正弦信號(hào) ,信號(hào)的幅值、頻率和兩路信號(hào)的相位均由計(jì)算機(jī)設(shè)定 , 而且信號(hào)上可以根據(jù)要求任意疊加進(jìn)各種干擾信息 , 完全可以模擬現(xiàn)場信號(hào)情況。 表 1是根據(jù)前面對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析 ,由 N I-DAQ 生成的兩路正弦信號(hào) ,經(jīng)過上述算法檢測的相位差結(jié)果。信號(hào)頻率 f = 80 Hz,幅值5V ,干擾信號(hào)包括頻率 f = 160Hz,幅值 0. 5V 正弦信號(hào) , 頻率 f = 240Hz, 幅值 0. 1V 正弦信號(hào) , 頻率 f = 50 Hz,幅值 0. 2V 正弦信號(hào) ,以及幅值 0. 1V 的白噪聲信號(hào)。
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表 1 實(shí)際測量結(jié)果及其相對(duì)誤差
| 檢測結(jié)果 | ||||||
| 設(shè)定的相位差 (°) | 0. 09 | 0. | 27 | 0. 54 | ||
| 計(jì)算的相位差 (°) | 0. 09017 | 0. | 26958 | 0. | 54067 | |
| 相對(duì)誤差 (% ) | 0. 188 | – 0. | 156 | 0. 124 | ||
| 檢測結(jié)果 | ||||||
| 設(shè)定的相位差 (°) | 0. 81 | 1. | 08 | 1. 8 | ||
| 計(jì)算的相位差 (°) | 0. 80917 | 1. | 07902 | 1. | 79852 | |
| 相對(duì)誤差 (% ) | – 0. 102 | – 0. | 091 | – | 0. 082 | |
從測量結(jié)果中可以看出 ,相位差測量在小信號(hào)時(shí)誤差***大 ,為 0. 188% 。實(shí)際的測量結(jié)果初步表明這種檢測算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相位差的高精度檢測。 目前正在利用實(shí)際流量標(biāo)定裝置對(duì)此套計(jì)算方法進(jìn)行全面的試驗(yàn)研究。
4、結(jié)論：
在科氏質(zhì)量流量計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上 ,對(duì)其拾振信號(hào)進(jìn)行了分析 ,設(shè)計(jì)了新型的 FIR數(shù)字濾波器 ,進(jìn)而提出了一套簡單而有效的相位差檢測新算法。 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ,這種相位差檢測算法完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求 ,有效地消除了噪聲對(duì)測量結(jié)果的影響 , 提高了系統(tǒng)測量的實(shí)時(shí)性。 同時(shí)發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了傳感器由于非線性原因造成拾振信號(hào)中倍頻信號(hào)的存在 ,對(duì)分析傳感器的非線性具有指導(dǎo)意義。