為實(shí)現(xiàn)脈沖輸出式流量計(jì)多臺位、高精度檢定，提出一種基于基波相位流量計(jì)多路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償?shù)男路椒?。闡述了基波相位補(bǔ)償原理，采用前置數(shù)字 Butterworth 濾波器，解決在強(qiáng)諧波干擾下無法提取基波信號的問題。利用自適應(yīng)陷波器狀態(tài)變量周期軌道，計(jì)算計(jì)數(shù)起止時刻基波相位，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)補(bǔ)償。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效獲取基波相位，對 3 路不同步脈沖信號進(jìn)行精度補(bǔ)償，計(jì)數(shù)誤差小于 ± 0． 06，能有效提高流量計(jì)的檢定效率和檢定精度。

0.引言

脈沖輸出式流量計(jì)輸出信號簡單、抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸，在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，一般采用測頻法對其進(jìn)行檢定。測頻法包括直接測頻法、模擬內(nèi)插法、游標(biāo)法、脈沖衰減法、多周期同步法、全同步法等。其中，***常用的直接測頻法測量結(jié)果含 ± 1 個字的計(jì)數(shù)誤差。模擬內(nèi)插、游標(biāo)法與脈沖衰減法也是高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器常見的設(shè)計(jì)方法，但對于流量計(jì)100 μs ～ 100 ms 范圍脈沖間隔時間的測量，這些方法存在電路規(guī)模大、動態(tài)范圍有限及易受干擾脈沖影響等問題 。多周期同步法被測信號和閘門信號同步，消除了被測信號 ± 1 個字計(jì)數(shù)誤差，但基頻信號仍存在 ± 1 個字的計(jì)數(shù)誤差 。全同步法實(shí)質(zhì)是一種相位同步法，其消除了基頻誤差，但測量時間長，且無法進(jìn)行多路測量 。為解決目前脈沖輸出式流量計(jì)無法多路測量、檢測精度低、測量結(jié)果受干擾脈沖影響及高精度頻率測量需要基頻信號發(fā)生裝置等問題，文中研究了一種基于脈沖基波相位測量的多路不同步脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償新方法。

1.多路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償原理

流量計(jì)輸出脈沖頻率 f 與流過管道的體積流量 q成正比，K = f /q 為儀表系數(shù)?？紤]流量 q 范圍及各類流量計(jì)儀表系數(shù) K，流量計(jì)輸出頻率 f 范圍為 10 ～ 10 kHz。

按照計(jì)量檢定規(guī)程，容積法、標(biāo)準(zhǔn)表法或稱重法，檢定裝置均有***短檢定時間 tmin 限制，即檢定時間 tm ＞ tmin 。

圖 1 為多路脈沖與閘門信號波形圖，各路信號與閘門信號不同步，因而均存在 ± 1 個字的計(jì)數(shù)誤差。集成檢定多臺流量計(jì)時，為保證檢定效率，tm 不能過大，因此脈沖輸出頻率低的流量計(jì)檢定結(jié)果相對誤差大。

各類能提高精度的方法，具體技術(shù)手段均是通過減小閘門信號與相鄰脈沖上升沿時間差來減小計(jì)數(shù)誤差。相位補(bǔ)償原理與之近似，圖 2 為通過獲取脈沖信號在閘門信號發(fā)生時刻相位 φ 進(jìn)行精度補(bǔ)償?shù)脑硎疽鈭D。

多路脈沖補(bǔ)償?shù)脑硎? 對任意 i 路脈沖信號進(jìn)行測相處理，獲取其在計(jì)數(shù)啟停時刻的相位 φsi 、φei ，并根據(jù)式( 1) 、( 2) 進(jìn)行計(jì)數(shù)補(bǔ)償。然而，流量計(jì)受現(xiàn)場機(jī)械振動及流場不穩(wěn)定因素影響，其輸出信號可能存在干擾脈沖。因而，通過直接測量 t1 － t0 、t3 － t2 計(jì)算相位進(jìn)行精度補(bǔ)償方法可能會惡化測量結(jié)果。自適應(yīng)陷波濾波器( adaptive notch filter，ANF) 可自動使陷波頻率跟隨輸入信號頻率變化，抑制噪聲，并可提取信號幅值、頻率、相位，其在理論研究及工程應(yīng)用上都受到廣泛重視 。下面討論自適應(yīng)陷波器提取脈沖計(jì)數(shù)起止時刻基波信號相位的具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.周期脈沖信號相位提取技術(shù)

ANF 雖然是理論研究及工程應(yīng)用熱點(diǎn)，但 Ｒegalia提出的 ANF 受正弦信號幅值、頻率相互高度耦合的影響，頻率估計(jì)暫態(tài)響應(yīng)速度受幅值大小影響 。Liu 在Ｒegalia 基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種收斂速度不受幅值影響的全局收斂歸一化 ANF，但僅能處理單正弦輸入信號 。

Mohsen 研究的固定自適應(yīng)增益 γ 的 ANF 能很好地處理受諧波干擾的正弦輸入信號，近年來獲得廣泛工程應(yīng)用 ，但該 ANF 不能很好地提取周期脈沖信號的基波且收斂速度受幅值影響 。ANF 不能很好地處理周期脈沖信號的關(guān)鍵在于諧波疊加干擾，如能利用 Butterworth 濾波器濾除 5 次諧波及以上分量，則能為 ANF 提供更高信噪比的輸入信號。脈沖信號相位提取流程框圖如圖 3 所示。

2． 1 數(shù)字 Butterworth 濾波器設(shè)計(jì)

Butterworth 濾波器在線性相位、衰減斜率和加載特性三方面特性均衡。其頻率歸一化傳遞函數(shù)為:

的實(shí)時相位分別為 φs 、φe 。由于式( 1) 為差分結(jié)構(gòu)，并且流量計(jì)檢定過程中有保持供水壓力恒定的要求，因而利用式( 1) 求補(bǔ)償計(jì)數(shù)值 Nc 時可不考慮低通濾波導(dǎo)致的相位損失。

3.仿真及試驗(yàn)

3． 1  仿真試驗(yàn)

設(shè)關(guān)于時間軸對稱的周期脈沖信號 f ( t) 幅值為A，角頻率為 ω，那么其傅里葉級數(shù)展開式為:

卡接入 2 臺流量計(jì)及 2 臺標(biāo)準(zhǔn)表輸出脈沖信號( 標(biāo)準(zhǔn)表頻率分別為 6 Hz、80． 1 Hz) 。利用上升沿檢測手段檢測 4 路脈沖信號并對 6 Hz 信號實(shí)現(xiàn)整周期截取，產(chǎn)生48 s標(biāo)準(zhǔn)時間信號，以滿足 tm ＞ tmin 檢定時間要求。調(diào)節(jié)流量計(jì)脈沖當(dāng)量，使其輸出 100 ～ 800 Hz 的信號。上位機(jī)對輸入脈沖信號振幅做 ± 1 處理，并乘 π/4，即輸入信號基波為 y =sin( ωt + φ) 。在算法開始運(yùn)行前對流量計(jì)信號進(jìn)行測周處理，并據(jù)此預(yù)設(shè) 4 階 Butterworth 低通濾波器通帶角頻率 ω0 ，ANF 角頻率估計(jì)初值 θ0 。ANF 阻尼比 ξ =0． 15，自適應(yīng)因子 γ =5。表 1 為 4 組 3 路輸入脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)補(bǔ)償試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表 1 可看出，上升沿檢測法計(jì)算所得脈沖個數(shù)均存在± 1 個字的計(jì)數(shù)誤差，經(jīng)補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差均小于 ± 0． 06個。上位機(jī)通過寫 dat 文件保留現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖 5 為根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)還原的輸入響應(yīng)曲線與角頻率估計(jì)曲線。其中，圖 5( a) 為狀態(tài)變量 x1 、x2 在200 Hz 脈沖輸入時的響應(yīng)曲線，圖 5( b) 為頻率估計(jì)值收斂曲線。

4.結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)脈沖輸出式流量計(jì)多臺位高精度檢定，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于基波相位補(bǔ)償?shù)男路椒?。理論仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證表明: ① 采用前置數(shù)字 Butterworth 濾波器的方法提高抗諧波干擾能力，可很好地限制無限次奇次諧波疊加引起的干擾; ② 配合前置測周，預(yù)估角頻率周期，角頻率收斂速度快，自適應(yīng)陷波器可在1 s內(nèi)進(jìn)入其周期軌道，獲取準(zhǔn)確基波相位時間短; ③ 頻率、相位估計(jì)準(zhǔn)確性在多路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償中得到驗(yàn)證，3 組不同步計(jì)數(shù)補(bǔ)償試驗(yàn)說明計(jì)數(shù)誤差小于 ± 0． 06 個。這種通過實(shí)時計(jì)算信號相位進(jìn)行計(jì)數(shù)補(bǔ)償方法能有效提高脈沖計(jì)數(shù)檢定精度，提高多路并行檢定的實(shí)用性。在檢定裝置流場穩(wěn)定情況下補(bǔ)償方法效果良好，對在流場不穩(wěn)定的情形下實(shí)現(xiàn)多臺位高精度檢定還需進(jìn)一步研究。