科氏質(zhì)量流量計相位差檢測新方法
摘要 基于科氏質(zhì)量流量計的工作機理和實際工作情況下的信號頻譜分析 ,提出了切實可行的相位差檢測新方法。設(shè)計了改進的 FI R數(shù)字濾波器 ,實現(xiàn)了對原始輸出信號的實時濾波處理 ,有效地抑制了噪聲的干擾 ,為科氏質(zhì)量流量計的高精度測量提供了保證。 同時該新方法提高了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。 實驗結(jié)果表明 ,所提出的方法和設(shè)計的信號處理系統(tǒng)具有實用價值。
圖 1 U 型管質(zhì)量流量計工作機理
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)的主振動角頻率 ( rad /s);K 為與測量管的形狀、尺寸、材料和激勵信號等有關(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)字式過零點的相位差檢測新原理 ,即利用 DSP對信號的波形進行時域分析 ,計算出過零點的時間差 ,進而得出信號相位差。
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)字濾波器運算量很大 ,在實際的應(yīng)用中很難實現(xiàn)。 通過對現(xiàn)有比較成熟的數(shù)字濾波器的分析和計算機仿真 ,設(shè)計了改進的有限沖擊響應(yīng)帶通濾波器 ( FIR)來實現(xiàn)實時濾波處理。 帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
圖 4 改進的濾波算法結(jié)構(gòu)
對AD采集的數(shù)據(jù)人為進行二次采樣 ,得到 50個子序列 ,每一數(shù)據(jù)子序列都相當(dāng)于原始信號經(jīng)過頻率為 19200 /50= 384Hz采樣得到的。 利用標準的 60階FIR帶通濾波器 ( Wn = [ W1 , W2 ]= [0. 1432, 0. 3125 ])對抽取后每一個數(shù)據(jù)子序列進行濾波 ,對濾波器輸出的 50組數(shù)據(jù)進行反向合成 ,得到***終濾波結(jié)果。 每一次濾波運算時 ,并非對 50組數(shù)據(jù)同時進行 FIR濾波處理 ,而是只對當(dāng)前一次采樣所屬的數(shù)據(jù)子序列進行61次乘法運算和 60次加法運算。
圖 5 數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后的頻譜圖
改進 FIR帶通濾波器提高了信號的信噪比 ,并且兩路信號相移相同 ,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)的實時性 ,系統(tǒng)必須在兩次采樣時間間隔內(nèi) ,完成兩路數(shù)據(jù)的濾波、曲線擬和以及過零點、相位差和頻率的計算。
過零點檢測算法的結(jié)構(gòu)如圖 6所示。通過軟件實時檢測濾波后數(shù)據(jù) ,當(dāng)出現(xiàn)過零點、相位差和頻率的計算。過零點檢測算法的結(jié)構(gòu)如圖 6所示。通過軟件實時檢測濾波后數(shù)據(jù) ,當(dāng)出現(xiàn)x ( n )> 0, x ( n+ 1) < 0或者 x ( n ) < 0, x ( n+ 1)> 0,即認為過零點在 x (n )和 x (n+ 1)之間 ,因此將 x ( n )前后各 5個點存儲到指定的存儲單元 ,為切比雪夫曲線擬和提供原始數(shù)據(jù)。通過仿真計算 ,采用 2次曲線擬和就可以達到很高的計算精度。擬和后的 2次曲線 ,通過傳統(tǒng)的解方程的形式來計算信號的過零點 ,在實際應(yīng)用中舍棄解方程中在 x ( n )和 x ( n+ 1)之外的那個根。
這樣就可以根據(jù)兩路信號的過零點來計算信號的相位差。 由于系統(tǒng)的采樣時間間隔為 52. 08μs ( 1 / 19200 Hz) , DSP(以 TM S320V C33為例 )的運算速度為每個指令周期 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,所以在采樣的時間間隔內(nèi) D SP完全可以完成計算 ,保證了系統(tǒng)的實時性。
圖 6 相位差算法結(jié)構(gòu)
3 、實驗結(jié)果：
為了驗證算法的精度 ,首先 ,在實驗室環(huán)境下 ,利用 N I-D AQ 6110E兩路 16位 DA產(chǎn)生兩路正弦信號 ,信號的幅值、頻率和兩路信號的相位均由計算機設(shè)定 , 而且信號上可以根據(jù)要求任意疊加進各種干擾信息 , 完全可以模擬現(xiàn)場信號情況。 表 1是根據(jù)前面對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析 ,由 N I-DAQ 生成的兩路正弦信號 ,經(jīng)過上述算法檢測的相位差結(jié)果。信號頻率 f = 80 Hz,幅值5V ,干擾信號包括頻率 f = 160Hz,幅值 0. 5V 正弦信號 , 頻率 f = 240Hz, 幅值 0. 1V 正弦信號 , 頻率 f = 50 Hz,幅值 0. 2V 正弦信號 ,以及幅值 0. 1V 的白噪聲信號。
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表 1 實際測量結(jié)果及其相對誤差
| 檢測結(jié)果 | ||||||
| 設(shè)定的相位差 (°) | 0. 09 | 0. | 27 | 0. 54 | ||
| 計算的相位差 (°) | 0. 09017 | 0. | 26958 | 0. | 54067 | |
| 相對誤差 (% ) | 0. 188 | – 0. | 156 | 0. 124 | ||
| 檢測結(jié)果 | ||||||
| 設(shè)定的相位差 (°) | 0. 81 | 1. | 08 | 1. 8 | ||
| 計算的相位差 (°) | 0. 80917 | 1. | 07902 | 1. | 79852 | |
| 相對誤差 (% ) | – 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時誤差***大 ,為 0. 188% 。實際的測量結(jié)果初步表明這種檢測算法能夠?qū)崿F(xiàn)對相位差的高精度檢測。 目前正在利用實際流量標定裝置對此套計算方法進行全面的試驗研究。
4、結(jié)論：
在科氏質(zhì)量流量計工作原理的基礎(chǔ)上 ,對其拾振信號進行了分析 ,設(shè)計了新型的 FIR數(shù)字濾波器 ,進而提出了一套簡單而有效的相位差檢測新算法。 仿真和實驗結(jié)果表明 ,這種相位差檢測算法完全達到了預(yù)期的設(shè)計要求 ,有效地消除了噪聲對測量結(jié)果的影響 , 提高了系統(tǒng)測量的實時性。 同時發(fā)現(xiàn)和驗證了傳感器由于非線性原因造成拾振信號中倍頻信號的存在 ,對分析傳感器的非線性具有指導(dǎo)意義。