介紹了科里奧利質(zhì)量流量計基于混頻算法的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，用于測量傳感器兩路同頻信號之間的相位差。該系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理器（DSP），在固定采樣頻率下，對經(jīng)過調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后的振動傳感器信號再經(jīng)過數(shù)字濾波器，進(jìn)行混頻算法，計算得到傳感器信號的相位差。

科里奧利質(zhì)量流量計根據(jù)科里奧利原理可直接測量流體的質(zhì)量流量。當(dāng)有流體流過測量管時，產(chǎn)生一個正比于流體質(zhì)量流量的科氏力，使測量管入口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號相位發(fā)生滯后，而出口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號相位發(fā)生超前。在測量管的振動頻率一定的情況下，上述兩路正弦波信號相位差正比于流過測量管的流體的質(zhì)量流量，由于振動頻率隨流體密度的變化而變化，故質(zhì)量流量正比于相位差與振動頻率之比，即正比于兩路正弦波信號時間差。只有地實時測量傳感器的相位差及其振動頻率，才能達(dá)到測量流體的質(zhì)量流量的目的。同時根據(jù)檢測到的流體溫度，對質(zhì)量流率及密度進(jìn)行校正，以補(bǔ)償管道的剛性，根據(jù)質(zhì)量流率及密度還可計算出體積流率。

科氏質(zhì)量流量計已知的測量相位差的方法中，有根據(jù)兩路正弦波信號經(jīng)調(diào)理后檢測其過零點的時間差，也有利用數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行傅立葉變換以得到兩路同頻信號的相位差，還有基于矢量內(nèi)積法來測量相位差，以及基于正交雙通道算法來測量相位差。本文應(yīng)用混頻算法，實時計算出科氏質(zhì)量流量計振動管上兩路同頻信號之間的相位差，并根據(jù)捕獲到的信號頻率，***終解算出流體的質(zhì)量流量。

1.混頻算法的基本原理

混頻算法的信號處理框圖見圖 1 所示?？评飱W利質(zhì)量流量計的振動傳感器信號可以描述為一系列正弦函數(shù)的和，通過合適的濾波，可將其基波信號的信息提取出來。在二次儀表的信號調(diào)理電路中采用積分濾波電路，濾除掉傳感器輸出的帶噪聲的時變正弦小信號中高次諧波與尖峰噪聲，再經(jīng)過放大電路進(jìn)行入 A/D 轉(zhuǎn)換器，對傳感器信號進(jìn)行過采樣，再通過 SINC 濾波器，對過采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取并濾波，對濾波后的信號應(yīng)用 DSP 進(jìn)行混頻運(yùn)算，解算出兩路同頻信號的相位差。要提高科里奧利質(zhì)量流量計的測量精度，關(guān)鍵是要通過提高對傳感器輸出信號的相位差的測量精度來實現(xiàn)。采用混頻法檢測傳感器信號的相位差，提高了測量精度與計算速度，可達(dá)到理想的郊果。將兩路傳感器的輸出信號表示如下

采用混頻算法計算兩路同頻信號的相位差，需要實時跟蹤信號的頻率，當(dāng)信號頻率與傳感器的瞬時頻率有誤差時，通過頻率對相位進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)一步提高相位差的檢測精度。

2.混頻算法的應(yīng)用

基于混頻算法的科氏質(zhì)量流量計測量方法，首先對科氏質(zhì)量流量計傳感器的兩路輸出信號，經(jīng)過調(diào)理后，由雙路同步 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，傳送數(shù)據(jù)到數(shù)字信號處理器DSP，由 DSP 對采樣數(shù)據(jù)歸一化后，進(jìn)行混頻處理，即對傳感器的非線性時變信號，通過與一本振信號混合，在時域中進(jìn)行變頻運(yùn)算，得到所需的頻率信號，再經(jīng)過濾波，***終計算出傳感器信號的相位差信息。同時，對其中一路信號進(jìn)行過零比較，由 DSP 的捕獲單元捕捉其振動頻率，從而得到科氏質(zhì)量流量計振管的振動頻率。由振動頻率與相位差信息，計算出流過振管的流體介質(zhì)的質(zhì)量流量與密度。同時根據(jù)流體介質(zhì)的溫度，對流體的質(zhì)量流量與密度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到實際的質(zhì)量流量與密度值?；诨祛l算法的科式質(zhì)量流量計變送器原理框圖如圖 2 所示。

3.標(biāo)定結(jié)果

運(yùn)用混頻算法對科氏質(zhì)量流量計兩路傳感器信號進(jìn)行數(shù)字處理，***終解算出流體的質(zhì)量流量。基于該原理的數(shù)字質(zhì)量流量變送器樣機(jī)在公司標(biāo)定站配標(biāo)不同型號的質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表 1。

表 1 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN50 傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動頻率為 70Hz 左右。從表 1 中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性±0.05%，標(biāo)定量程比達(dá)到 30:1。

表 2 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN25 傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動頻率為 80Hz 左右。從表 2 中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性在 ± 0.05% 以內(nèi)，標(biāo)定量程比為 15:1。

 從以上兩組標(biāo)定數(shù)據(jù)可以看出，基于混頻算法的質(zhì)量流量數(shù)字變送器，與模擬變送器相比，提高了測量精度及計算速度，擴(kuò)大了量程比，對質(zhì)量流量計的實際應(yīng)用具有重要意義。

4.結(jié)論

基于科里奧利原理的質(zhì)量流量計，其傳感器的相位差測量方法國內(nèi)外有許多種，本文將混頻算法的相位差測量方法應(yīng)用在質(zhì)量流量變送器上，該算法濾掉了信號中的低頻干擾、高次諧波及噪聲，對于提高儀表的測量精度，擴(kuò)大量程比，抑制噪聲等都有很大的優(yōu)勢。變送器樣機(jī)連接不同口徑、不同頻率的傳感器進(jìn)行了實際標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果達(dá)到了***初的設(shè)計要求。擴(kuò)大量程比拓寬了質(zhì)量流量計的應(yīng)用范圍，在實際應(yīng)用中具有重要的作用。