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(biāo)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(biāo)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。