（精密仪器及机械专业论文）科里奥利质量流量计数字信号处理方法的研究.pdf

t h 潍钆 州9 2 j 科里奥利质量流量计数字信号处理方法的研究 摘要 科里奥利质量流量计由于其可以直接测量质量流量、精度高和可以同时测量流体密度 等优点，在许多工业领域获得了广泛的应用。传统的科氏流量计采用基于模拟电路的信号 处理方式，存在诸如对噪声敏感等许多缺点，我们采用数字信号处理方法来处理科氏流量 计的信号。 本文主要研究了基_ 二自适应谱线增强技术的科氏流量计信号增强和频率估计方法和基 于离散傅里叶变换和滑动g o e r t z e l 算法的科氏流量计信号时间差计算方法。 主要研究内容如下： ( 1 ) 根据科氏流量计信号的特点，提出基于随机游动模型的科氏流量计时变信号模 型。该模型的提出以及与其相关的信号处理方法的研究，有助丁对科氏流量计的动态特性 进行研究。 ( 2 ) 采用直接型i i r 自适应谱线增强器的信号增强和频率估计方法，分别给出了算 法在时不变和时变信号模型下的实现方式。 ( 3 ) 针对直接型i l r 自适应谱线增强器的缺点，提出采用格型i i r 自适应谱线增强 器，并分别针对时不变和时变信号研究了算法的实现方法。对算法进行了改进，在不增加 计算量的情况下，实现了对频率变化的跟踪。 ( 4 ) 提出采用归一化格型i i r 自适应谱线增强器对科氏流量计信号进行增强和频率 估计，为今后可能采用f p g a 实现科氏流量计系统做探索性研究。 ( 5 ) 采用加汉宁窗修正的离散傅里n - r 变换计算科氏流量计信号的时间差的方法并 针对d f t 方法的缺点，提出采用滑动g o e r t z e l 算法，避免了非整周期采样的影响，同时 实现时间差的实时计算。 ( 6 ) 在a d s p 2 1 0 6 5 ld s p 上的实现格型i i r 自适应谱线增强器和滑动g o e r t z e l 算 法，并进行了实验验证。实验结果表明，所研究的方法是有效的。 关键词：科里奥利质量流量计频率估计时间差自适应谱线增强器 离散傅里叶变换滑动g o e r t z e l 算法 r e s e a r c ho n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d so f c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r s a b s t r a c t c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r sa r ew i d e l yu s e di n m a n yv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d sd u et ot h e i rf 0 1 1 0 w i n ga d v a n t a g e s ：m e a s u r i n gt h em a s sf l o wr a t ed i r e c t l y ，h i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n d m e a s u r i n gd e n s i t yo ff l u i d s a tt h es a m et i m e ，e t ct h ec o n v e n t i o n a lc o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r s a d o p tt h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o db a s e d0 1 1a n a l o gc i r c u i t s w h i c hh a v em a n ys h o r t c o m i n g s ， s u c ha sb e i n gs e n s i t i v et on o i s e s ow eu s ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s t od e a lw i t ht h es i g n a so fc o r i o l i sm e t e r s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h es i g n a le n h a n c i n ga n df r e q u e n c y e s t i m a t i n gm e t h o d sb a s e d o n a d a p t i v el i n ee n h a n c et e c h n i q u ea n dt h et i m ei n t e r v a lc a l c u l a t i o nb a s e do nd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r ma n ds l i d i n gg o e r t z e la l g o r i t h mf o rc o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r s t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e t n t a t i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n g1 0t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u ts i g n a l s ，at i m e v a r y i n gs i g n a lm o d e lb a s e d o nr a n d o mw a l km o d e li sp r o p o s e dt h i sm o d e la n dc o r r e s p o n d i n g s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s a r e h e l p f o lt o rr e s e a r c h e so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f c o r l o l i sm a s sm e t e l s ( 2 ) u s i n gd i r e c tt y p e1 1 ra d a p t i v el i n ee n h a n c e rt oe n h a n c ec o r i o l i sm a s sm e t e r ss i g n a la n d e s t i m a t ei t s f r e q u e n c y d i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o n so ft h i s t y p ee n h a n c e rf o rt i m e s t a t i o n a r ya n d t i m e v a r y i n gs i g n a la r ea l s og i v e n ( 3 ) d u et ot h es h o r t c o m i n g so fd i r e c tt y p ei i ra d a p t i v el i n ee n h a n c e r u s i n gl a t t i c et y p ef i r a d a p t i v e l i n ee n h a n c e ri s p r o p o s e d d i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o n s o ft h i se n h a n c e rf o rt i m e s t a t i o n a r ya n dt i m e 。v a r y i n gs i g n a la r ea l s os t u d i e d d u r i n gt h es t u d yf o rt i m e - v a r y i n gs i g n a l ，t h e o r i g i n a la l g o r i t h mi si m p r o v e dt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a nt r a c kf r e q u e n c yv a r i a t i o no ft h e t i m e v a r y i n gs i g n a lw i t hn oe x t r ac a l c u l a t i o nb u r d e n ( 4 ) f o rt h ep o s s i b i l i t yo fi m p l e m e n t i n gc o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r sw i t hf p g a u s i n gn o r m a l i z e dl a t t i c et y p ei i ra d a p t i v el i n ee n h a n c e rt oe n h a n c ec o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ss i g n a l sa n de s t i m a t et h e i rf r e q u e n c i e sa r ep r o p o s e d ( 5 ) u s i n gd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mw i t hh a n n i n gw i n d o wt oc a l c u l a t et h et i m ei n t e r v a lo f c o r i o l i sm e t e r ss i g n a l si ss t u d i e d t h e na c c o r d i n gt ot h e d i s a d v a n t a g e so fd f tm e t h o d ，u s i n g s l i d i n gg o e r t z e la l g o r i t h mi sp r o p o s e dt h i sa l g o r i t h mc a na v o i dt h ei n f l u e n c eo fn o n i n t e g r a l p e r i o ds a m p l i n ga n dc a l c u l a t et h et i m ei n t e r v a li nr e a lt i m e ( 6 ) i m p l e m e n t i n gl a t t i c et y p ei i ra d a p t i v el i n ee n h a n c e ra n ds l i d i n gg o e r t z e la l g o r i t h mo n a d s p 2 1 0 6 5 ld s p t h ei m p l e m e n ti st e s t e d ，a n dt h er e s u l ts h o w st h em e t h o d ss t u d i e di nt h i s p a p e ra r ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r f r e q u e n c ye s t i m a t e t i m ei n t e r v a l a d a p t i v el i n ee n h a n c e r d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m s l i d i n gg o e r t z e la l g o r i t h m 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业火学 博士学位论文质量要求。 主席： 委员 答辩委员会签名 中国科学技术大学 中科院合肥智能所 教授 教授 合肥精大科仪表有限责任公司总工、正高 合肥工业大学 合肥工业大学 教授 教授 铈夕锄军铷工业大学 教授 同行评议专家名单 萧德云 王化祥 宋执环 张宏建 左洪福 葛运建 余晓芬 杨玉瑞 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、l 尊导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授级高工 同行评阅专家名单 黄文浩 费业泰 教授、博导 教授、博导 答辩委员会名单 黄文浩 葛运建 杨玉瑞 费业泰 余晓芬 教授、博导 教授、博导 教授级高工 教援、| 尊导 教授、博导 清华大学自动化系 天津大学电气与自动化工程学院 浙江大学信息科学与工程学院工业控制技术研究所 浙江大学信息科学与：r 程学院自动化仪表研究所 南京航空航天大学民航学院 中国科学院合肥智能机械研究所 合肥工业大学仪器仪表学院 合肥精大科仪表有限责任公司 中国科技大学精密仪器系 合肥i 业大学仪器仪表学院 中国科技人学精密仪器系 中国科学院合肥智能机械研究所 合肥精大科仪表有限责任公司 合肥工业大学仪器仪表学院 合肥工业火学仪器仪表学院 答辩委员会主席： 黄文浩 教授、博导 中国科技大学精密仪器系 独饿潍声萌 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成聚。据我 所知，除了文中特别加以振注鞠致谢黪她方辨，论文中不瞧窘其恁入已经发裘或撰写过的研究 成襞，也不媳含为获得 盒胆王些盔墩 或萁他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工佟的犀志对本研究所做的任键贡献均恐在论文中俦了鹳确熬援翳并表示澈懑。 学位论文作者签名：, 锋- t - 日期；年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鼹垒墼兰些塞堂有关傈鹫、使耀学位论文静攮定，育投僳留劳商 国家有关部门或机构邀交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阙和借阅。本人授权金目b 王些盘 堂一可以：垮学位论文的全部或部分内蜜编入有关数据库进锤检索，可鹾粟惩影、缝印或扫箍等 复制手段傈存、汇编学旺论文。 ( 保密盼学位论文在解密后适爆本授权譬) 学位论文作者签名 签字嗣期：年 月日 导师签名 签字日期：年月日 学能论文作者毕业去向：合肥l 业人学电气与自动化r 程学院 工作攀位：台g 二| ：= 监丈学电气与囊动讫】：程学院 通讯地址：合舭工业丈学自动化艨 电话：0 5 5 1 2 9 0 1 4 t 2 女s 编：2 3 0 0 0 9 致谢 感谢导师徐科举教授。率论文献课题的选群、资料的收集、进度的安排及写作的整个 过程都得到了他的帮助和指肆。徐老师严谨求实的学术作风、谦逊待人的风格，给我留下 了难班蘑炎的印象，楚我今菊王捧窥警活中懿榜样。 感谢实验室的其他成员，大家在一起创造丁一个良好的研究氛围。他们是已经毕业的 基逐兹、予翠蔌、涎安民、攀巧嚣、燹转、李永三、豫文福帮爨与 乍者赣夕相娃的蓑云 志、王肖芬、盛磊、是婷、赵锐、张瀚、陈智潞i 、赵明、袁波和任好。尤其要感谢于翠欣 在辩氏流量计方垂所做鲍开赫研究，与她的讨论为作者提供了攫大帮助。耀黠也要袭心感 谢陈智渊在本文的硬件设计上提供的帮助。 感谢远程澳大利亚的马晶、钱开浆和美国的韩览山，他们在我摄需要的时嫔提供了无 私帮及时的帮助。 最后要感谢我的父母和妻子在各个方面给与的巨大支持，帮助我顺利完成了学业。 作者；倪伟 2 0 0 4 年7 蒡 爨二茎羹蕉 ! 第一牵综述 辩重奥剃质量流爨计( c m f ，班下简称科氏流量计) 是美辔m i c r om o t i o n 公司于 1 9 7 7 年首先研制成功的一种基于处于旋转系中的流体在巅线运动时产生与质量流量成正 魄懿辩量羹裂力器理鹩耨垄囊鼹流量诗，可鞋壹缓高精度缝涮董流体质量。宅在浔髓舔缀 短的时间内，就以其优越的性能在工业界内赢得了很好的信誉。经过二十多年的发展，科 氏溅爨诗在犍# 纛援嵇上逐海完善，藏为当蓠发嶷最为迅速涎漉量诗之。零淳氏流羹诗除 了可用于各种常规流体外，还可用于各种非常规流体、浆波、液化气体和压缩天然气，广 泛应用于石化、造纸、食品及利药等行救。 1 1 科里奥利质量流量计的组成和测量原理 i 1 1 科垩冀剃质鲎流囊计的缀硪 一台科氏流量计系统包括一次仪表和二次仪表，其中一次仪表包括流量瞥、传感器和 激豢嚣，二次仪表刘楚对一次仪表输窭傣号进行处理豹变送器。 翻前市场上科氏流量计的种类很多。从一次仪表的结构来看，商直管、u 形管、s 形管、q 形蛰、双褥鼯篝、螺旋形警，a 形管等。每一静形凝抟流器管又露单管、疆管 和多管之分。每种管子的适用场合、测懿精度及价格水平备不相同。用户可以从安装环 境、瀵洗方式及对压力损失数要求等方嚣傲窭选攒。 本文以双u 型管的科氏流鬣计为主要研究对象。其结构如图11 所示，由流量管、激 振器( 包括驱动线圈和磁铁) 、信号拾取器( 即传感器，包疆检测线圈取磁铁，在漉入端 和流如端各安装个) 、电阻温度计( 用于测量流体温度和进行温度补偿) 、外壳和遣接 法兰缀成。 交送器匏动能主要有： ( 1 ) 为激振器提供激振信母，信号的频率为流量管的网有频率，并且当流量管的匮 蠢额零菠漉傣褥篷交纯君雩，激掇德号斡赣搴也要随之交纯； ( 2 ) 对两路传感器和电阻温度计的输出信号进行处理并输出测量结果； ( 3 与测鬟系统波静其链设备避孬遴谖。 当变送器给激振器提供激振信号时，驱动线圈与磁铁发生相对运动，使得流量管产生 振动。当激振傣号频率等于滚爨篱的匿鸯频率时，攘堰最大，韭乏对搬暴没有滚体渡动，裂 信号拾取器产生的两路旋弦波的相位相同，即时间溅为0 ，如图1 2 所示。当i j i 量管内有 流体流动时，出于科里奥利力的捧用，聪个流量管会发生援j c 于扭转，据转豹过程如匿1 3 所示( 放大簸巢圈，科氏流量计的实际扭转角并没有这么大) 。当扭转产生后，两路输出 信号之间就存在个时问差，并强在时间燕系上是出口端的信号超前予入口端的信号，如 踅1 4 掰示。该时闻差惩眈子漉体的覆鲎流量，通过求出该时闻差，褥结含温度和压力补 偿，就可以精确地求出流体的质鬣流量川。 !盒a ! 王些盔堂签主堂焦造塞 嚣盎背垂 图11 科氏流量计一次仪表结构图 图1 2 无流体时的输出信号 图1 3 有流体时流量管的扭转过程 箜二童堡蕉 一! 图1 4 有流体时的输出信号 1 1 2 科里奥利质量流量计的测量原理 从匀速转动的参考系来看，具有相对运动速度的物体所受到的惯性力分为两个，一个 称为惯性离心力，另一个即为科里奥利力【2 ，”。 图1 5 科里奥利力的产生原理 如图1 5 所示，当质量为m 的质点以速度v 在对p 轴作角速度旋转的管道内移动 时，质点受到两个分量的加速度及其力： ( 1 ) 法向加速度日，即向心力加速度，其量值等于2 ，方向朝向p 轴： ( 2 ) 切向加速度a t ，即科里奥利加速度，其量值等于2 c o v ，方向与盯。垂直。由于 复合运动，在质点的a t 方向上作用着科里奥利力只= 2 0 j v m ，管道对质点作用着一个反 向力一只= 2 c o v m 。 当密度为p 的流体在旋转管道中以恒定速度v 流动时，任何一段长度z 的管道都将 受到一个只的切向科里奥利力： 幔= 2 c o v p a 止 ( 1 1 ) 式中，a 为管道的流通截面积。由于质量流量计流量即为q 。= p v a ，所以 c = 2 c o q 。缸( 1 2 ) !盒壁三些盔堂堂主堂焦地塞 则u 形管中，直管上一微小长度出受到的扭矩作用为： d m = 2 r d f 。= 4 c o r q 。d x( 13 ) 对式( 1 3 ) 两边求积分得 m = f d m = f 4 钟出= 4 c o r l ( 1 4 ) 其中，三为u 型管直管段的长度。 在该扭矩的作用下，u 形管产生扭角0 ( 很小) ，所以 m = x , o ( 1 5 ) 式中，k 为流量管的角弹性模量。 由式( 14 ) 和式( t5 ) 可得 世目 g m2 赢1 6 ) 设是流量管在振动方向的线速度，即= c o l ，则在形成扭角o 的a t 时间内 s i n 曰：i v , a t( 17 ) 由于0 很小，因此可近似为0 = s i n 0 ，则 目：c o l a t r l8 1 2 r 所以由式( 1 6 ) 和( 18 ) 可得 2 参址 ( 1 9 ) 从式( 19 ) n 7 - 以看出流体的质量流量与两路信号之间的时间差成正比，时间差前的系数 为仪表的标定系数。 1 2 科里奥利质量流量计的优缺点 121 科里奥利质量流量计的优点 科氏流量计具有以下的优点： ( 1 ) 科氏流量计可以直接测量流体的质量流量，有很高的测量精确度。 ( 2 ) 可测量流体范围广泛，包括高粘度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量 气体的液体、有足够密度的中高压气体。 ( 3 ) 流量管的振动幅度小，可视作非活动件，流量管路内无阻碍件和活动件，故障 因素少，便于清洗、维护和保养。 ( 4 ) 对流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。 ( 5 ) 测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值的影响微小。 ( 6 ) 可做多参数测量，在测量质量流量的同时，可以同时获取流体的体积流量、温 度及密度等。 12 2 科里奥利质量流量计的缺点 在具有上述优点的同时，科氏流量计也存在以下的缺点： 第一章综述 5 ( 1 ) 科氏流量计零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，使得许多 型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳定度量两部分。 ( 2 ) 科氏流量计不能用于测量低密度介质和低压气体：液体中含气量超过某一限制 ( 按型号而异) 会显著影响测量值。 ( 3 ) 科氏流量计对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动的影响，大部分型号科 氏流量计对流量传感器安装固定要求较高。 ( 4 ) 不能用于较大管径，目前尚局限于1 5 0 ( 2 0 0 ) m m 以下。 ( 5 ) 流量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁流量管的科氏 流量计更为显著。 ( 6 ) 压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号科氏流量计甚至比容积式仪表大 1 0 0 。 ( 7 ) 大部分型号科氏流量计一次仪表的重量和体积较大。 ( 8 ) 价格昂贵。国外价格5 0 0 0 1 0 0 0 0 美元一套，约为同口径电磁流量计的2 5 倍：国内价格约为电磁流量计的2 8 倍。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 科里奥利质量流量计的传统信号处理方法 传统的科氏流量计采用基于模拟电路的信号处理方式( 放大、滤波、整形和计数) 处 理两路信号。测量质量流量和流体密度的典型电路如图1 6 和17 所示【”，电路中由时间 差检测器测量左右输出信号之间的时间差出。出经过数字量测量、处理、滤波以减少噪 声，提高测量分辨率。由于温度影响流量管的刚性，科里奥利力产生的扭曲量也将受温度 的影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流量管外表上的铂电阻温度 计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出 电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。 图1 6 测量质量流量的典型模拟电路 6合l l b j - 业大学博士学位论文 璀 爷竺由l f 叫型j 丹揠翮 i 图l7 测量流体密度的典型模拟电路 基于模拟电路的信号处理方法存在很多缺点【4 】： ( 1 ) 对噪声比较敏感。在工业现场存在各种各样的噪声，干扰是无法避免的。一些 科氏流量计传感器输出信号的频率落入许多工业噪声的频率范围，而且传感器输出信号的 幅值比较小，在许多情况下，并不明显大于噪声信号的幅值，这就限制了流量计的灵敏 度，使得获取有用信息比较困难，导致实际的测量精度达不到指标规定的要求。 ( 2 ) 模拟滤波器会改变信号的幅值和相位，这是不希望产生的结果。因为两个信号 之间的时间差是用来求出流体特性的基本信息。 ( 3 ) 管子的振动频率受流体密度等因素的影响，使其不等于驱动频率，以致于传感 器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂，二次仪表所测出的是合成波的相差。 132 科里奥利质量流量计的数字信号处理方法 由于模拟信号处理方法存在很多的缺点，难以满足各种应用对科氏流量计性能方面越 来越高的要求。随着数字信号处理技术和数字信号处理器( d s p ) 的发展，国外的很多公 司和研究机构以及国内的一些高校纷纷研究采用数字信号处理技术的科氏流量计信号处理 系统。笔者所在的课题组也对此进行了多年的研究，并取得了一定的成果，在国内同类研 究中处于较为领先的地位。 目前主要有以下几种数字信号处理方案： 1 ) 基于离散傅里叶变换( d f t ) 的方法 美国m i c r o m o t i o n 公司的p a u l r o m a n o 在美国专利u s p 4 9 3 4 1 9 6 中提出利用离散傅里 叶变换处理科氏流量计的输出信号，用t it m s 系列的数字信号处理器( d s p ) 作为二次 仪表的处理核心p j 。由于非整周期采样时，d f t 的计算误差不能满足仪表精度的要求，为 此，提出了频率粗测、细测和跟踪的思路。但是对其中的一些关键技术没有披露或叙述有 误，例如，当频率变化时如何采集过零点，等等。合肥工业大学本课题组参考其思路，研 制了采用d f t 的、基于a d s p 2 1 8 1d s p 的信号处理系统，在算法方面提出有效的措施解 决了美国专利中没有说明的技术难点，并在频率细测和跟踪方面做了改进“”。系统采用 的基于模拟电路的流量管驱动电路【9 1 在现场实验中成功地驱动了合肥仪表厂的一台一次仪 蔓二童绫姿 一h 王 表( 型号为b o ”r e u t h e rs y s t e mr h m l 5 ) 和安庆石化厂的一台德国科隆生产的次仪 表。该系统于2 0 0 2 年获得了国家专利”。 国内的西北工业大学在研究中先采用互相关分析来提高传感器信号的信噪比，再采用 傅里叶变换计算相位差，并用m a t l a b 进行了仿真j 。 但是这类方法存在以下的问题： ( 1 ) 实时性差。在频率跟踪时，要不断地变化采样频率进行采样和计算，比较功率 谱值的大小，以确定实现整周期采样的频率，其时问长达1 0 2 0 秒。 ( 2 ) 当输入信号中含有噪声时，频率计算的精度很高，但是相位差的精度受到影 响。其原因在于计算相位差时要用到信号的幅度，而用d f t 计算出的幅度受噪声影响较 大。 日本富士公司的y o s h i m u r ah i r o y u k i 在其欧洲专利e p0 7 0 2 2 1 2 a 2 “1 和e p 0 7 9 1 8 0 7 a 2 【j “中采用对来自科氏流量计中两个传感器的信号进行放大，然后同时将这两个 信号送入差动放大器，得到两个传感器的信号之差。多路转换器将这三个信号顺序送入模 数转换器( a d c ) ，再送入d s p 做d f t ，计算出两个传感器信号的相位差，并选取一个 传感器信号作为参考，让其通过三个传输通道，然后对这三个信号做d f t ，求出它们各自 的幅值和相角。选取其中一个信号作为基准就可以求出其余通道相对于该通道的差异， 从而补偿由各个传输通道特性差异所造成的误差。这个方案有两个特点。一是在相位差计 算时，处理的是差动放大器的输出信号，只用到两个传感器信号的幅值，不需对两个传感 器信号进行交叉采样，避免了初始相位误差。二是将整个处理过程分为测量过程和补偿通 道特性差异的过程。课题组也对此方法进行了研究和仿真，发现上述两个特点在实用性方 面存在缺憾：一是两个传感器信号的相位差很小( 一般小于4 度) ，故差动放大器的幅值 很小，极易受到噪声干扰。二是实时性差，因为计算一次相位差需要采集6 路信号并做 d f t 计算，计算耗时多1 1 4 1 。 2 ) 基于自适应线性增强( a l e ) 的方法 d e r b y 等人在美国专利u s p5 5 5 5 1 9 0 l ”j 中采用基于直接型i l r 自适应陷波器( a n f ) 的自适应谱线增强( a l e ) 技术对科氏流量计的两路输出信号进行处理，将实际的信号从 噪声和其他干扰信号中提取出来，并求出其频率，然后使用g o e r t z e l 算法计算增强后的两 路信号之间的相位差，最后根据采样频率，信号频率和相位差计算出两路信号之间的时间 差。本文中笔者所研究的方法也属于这一类，但是采用了更为先进的格型和归一化格型陷 波器。时间差计算采用滑动g o e r t z e l 算法。在后续章节将对笔者的研究进行详细的讨论。 3 ) 基于数字锁相环的方法 f r e e m a n 在美国专利u s p5 8 0 4 7 4 1 u q 中提出用数字锁相环来计算科氏流量计的传感器 两路输出信号之间的相位差的方法。课题组对该方法也进行了研究，在参考其思路的基础 上对其进行了改进。与d f t 方法相比，基于锁相环的方法具有以下优点： ( 1 ) 频率跟踪、相位差计算的实时性较好： ( 2 ) 频率跟踪对随机噪声、固定频率干扰均有较强的抑制作用； 垒一 盒鍪三黧盔堂蕉妻堂重逢塞 ( 3 捅经差毂诗簿对霞定频率予拣的挪矧也较强； 但与a l e 方法相比，该方法抑制随机噪声的能力相对较弱，所需的采样点数较多， 嚣虽采用固定采样频攀对误差较大；并屈由于进行频率估计对是袋月套表的澎式，需鼹预 先将表格中的数据存八，因而对内存的簧求较高，这限制了其在科氏流量计中的运用。 4 ) 基于正交解凋的方法 德国e n d r e s s + h a u s e r 公司 ”1 、美萄f o x b o r o 公司i 嘲戮及m i c r om o t i o n 公司【”粥正交 解调的方法应用于科氏流量计的信号处理中。e n d r e s s + h a u s e r 公司的方案对两路信号的差 动信号避幸亍愿交瓣谲，秘蠲差渤信号翡正交分量求相位差，还剥溺蒺动信号的溺葙分麓对 两路信号的幅值进行控制，采用两路信号的其中一路进行正交解调以求出信号的幅值和频 率。f o x b o r o 公司剐宠爱一个接近售号频率的售譬黯瑟鼹传惑器终输出信号分爨进行疆交 解调，再求出频率、幅值和相位差。m i c r om o t i o n 公司的方案先使用自适应陷波方法跟踪 信号的频率，再用跟踪上的频搴进霉亍正交解调，疑后求出信号的蟠蕊彝 桓位装。正交解壤 方法用于科氏流量计中的一个关键技术就是低通滤波器的设计，低通滤波器设计的好坏不 但粪接影响计舞的糖艘，还寅拨关系到该方法能餐实现。醒题绲也对这静方法进行了研究 e 5 ，2 1 ，并设i ；l - t 使用梳状滤波嚣和自适应隔波器的两种方案。但是该方法在相位差计簿精 度方面仍旧受到随机噪声的影响。 随着基予数字信号疑理技术方法磺究静发袋，一些国努的厂商瞧开始攘出一些甓弼该 技术的产品。2 0 0 0 年底m i c r om o t i o n 公间就率先推出了m v d ( m u l t iv a r i a b l ed i g i t a l ) 多 参数鼗字变送嚣，萁特点裁楚霞搿了鼗事信号蹙瑷技术。 与使用时间常量去阻抑和稳定信号相比，使用数字信号处理技术的主要好处之一是能 够以一个意的采襻率去过滤宴时信号，这菠得淡囊活对流量懿除歇变纯戆响应时阉浚多 了。使用m v d 技术的变送器的响应时间比使用模拟信号处理的传统变送器炔2 叫倍，更 快的嚷应黠阕会提毫娥批量控制豹效率帮精确度。 使用数字信号处穗技术另一个颇有价值的实例是气体测量。气体测量是一个更富有挑 战性的应用，因为高遴气体通过流量计会引起相对较严重的噪声。数字信号处理技术糍更 好璁滤波，并进一步减小了质擞流量诗对噪声的敏感度。 与使用传统方法的科氏流摄计系统相比，采用数字信号处理器的系统还具有以下优 点： ( 1 ) 能把所有技术都封装到核心处理器中并使传感器智能化； n + 岛) + v ( n ) ( 3 1 ) 式中4 、c o , 和谚分别是第i 个正弦波信号的幅值、频率和初始相位，v ( n 1 为加性的宽带 噪声，可以是有色的。现在，希望设计一种滤波器，使得x ( n ) 在通过该滤波器后，输出 中只含有p 个正弦波信号s ( n ) ，而没有其他任何信号和噪声。由于p 个正弦波信号的功 率谱为p 条离散的谱线，所以这种只抽取正弦波信号的滤波器称为谱线增强器。令日f 1 是谱线增强器的传递函数，为了实现其功能，h ( ) 必须满足f 面的条件： 脚，= 怯三i ： ：， 反之，若滤波器的传递函数 脚，= o 三i ： 8 ， ! 兰盒8 里王些盎堂堂主堂焦堡塞 则滤波器将抑制掉p 个正弦波信号，并让v ( 胛) 完全通过。此时滤波器的作用相当于一个 正弦波的陷井，所以称为陷波器。 图31 和3 2 分别给出了p = 3 时谱线增强器和陷波器的传递函数的瞌线。 c 4f ， iili l j j 一+ q哆鸭 图3l 谱线增强器 q屿哆 图3 2 陷波器 从上面的介绍可以看出，白适应谱线增强器很容易由自适应陷波器实现。如图3 3 所 示，观测信号x ( n ) = s ( n ) + v ( n ) 通过自适应陷波器，抑制掉正弦波信号，产生v ( n ) 的最 优估计i ( h ) ，然后与观测信号相减，产生正弦波信号的估计；) = s ( n ) + v ( n ) 一i ( n ) 。 i n 果- i i 波器是理想的，则；( 胛) = v ( n ) ，从而使得j ) = s ( n ) 。但实际的陷波器不可能是 理想的，因为不可能抑制掉与正弦波信号同频率的噪声分量。 图3 3 陷波型自适应谱线增强器 对于科氏流量计信号，自适应陷波器应能够根据输出信号的情况，自动调整自身的参 数，使其幅频特性的陷波频率收敛到流量管振动的基频，、止基频周围的一个窄频带以外的 所有噪声通过，并可由陷波器的参数求出基频。然后，将这些噪声信号从科氏流量计的输 出信号中减去，便得到滤掉绝大部分噪声的增强信号。与此同时，由于科氏流量计输出信 号随流体特征的变化而变化，白适应算法还应在收敛后能够根据信号特征的变化持续调整 陷波器的各项参数，以跟踪流量管振动频率的变化。 陷波型自适应谱线增强器所基于的陷波器有很多种实现形式。从陷波器结构来分，主 要有：直接型 2 8 - 3 0 3 3 - 35 】、理论无偏型【4 3 】、格型 4 8 - 5 0 1 、双线性变换型卧3 2 1 和基于频域转换 蔓三童蕉至垒二篓塑錾奎建薤一笪 ( f t b n f ) 等的陷波滤波器。本章主要研究曼稽：直接型、格型和归一化格型i i r 路波 器，并且讨论了每种自适应增强器如何应崩于时不变和时变信号模型。 基于自适应无限冲击响应( i i r ) 陷波器的肉适应谱线增强器最早是由r a o 与k u n g ( 2 7 】 予1 9 8 4 举缝瘩鹣，这种疆强器对p 个正弦波需要壹透建调节2 p 个较系数。为了瑙强一 个正弦波信号s ( n ) = r e ，i l r 陷波器的传递函数如下式： 一篙鬻 限。、 ：生当! ：塾! ： 1 + p w l z 一+ p 2 啦：t 其中= 一2 r c o s 出，m = r 2 ，参数p 决定陷波器陷井的带宽。从式( 34 ) 可知，当 。= 地2 。颡p 1 时，鹫( ：) = 0 ，当z 您2 。和p 寸1 时，h ( z ) = i ，因就，只要选择 p 1 ，即可近似实现陷波作用。图3 3 中的囱适应算法只要调节权系数和鸠，使估 谤误差( 翦) 的均方蕊疆书，帮可实臻盎适应谱线增强器。 1 9 8 5 年，n e h o r a i 2 8 1 提出了另种基于i i r 的陷波型自适应谮线增强器。它通过将陷 波爨鼹零点限剩在攀位国土，使簿对p 个正弦渡只需癸诱节p 个投系数，减少了跨算 量。i i r 陷波型白适应谱线增强器另一个显著的特点是，它所需溪的滤波器睦度比采用 f i r 型陷波器的长鹰夸麓多。 3 2 基于直接型ii r 随波器的臼适应谱线增强器 d e r 6 y 等在美国专利u s p5 5 5 5 1 9 0 中设计了一个基子d s p 的数字信号处理系统。系统 采用n e h o r a i 所提出的基于越接型i i r 陷波器的自适应谱线增强技术和装戥阱准确地确定 摄韵流警之润静频率和相位关系，甄两踅精确堍确定流经质量流釜计的流体的质量流量。 专利中的信号处理环节都由三部分组成：多抽一滤波、陷波型自适应谱线增强( 频率估 诗) 霜超毽莲( 封霹羞) 计算。瑟季孛方案戆多接一簿分采_ 鬻j ( 8 ：1 葺l 】6 ：l 两缀擒取) ，相 位麓计算采用o o e r t z e l 算法。笔者参照其思路对萁中的两级多抽一滤波和鸯接型i i r 自适 应落线堙强方法进撑了研究秘诗募扭爨寞，并瓣葵法进箨了菠遘，使萁戆够经理辩变信 号。 3 。2 ，1 霹不嶷售号搂麓下懿饕瑷方法 为了增强对噪声的抑制，先用3 8 4 k h z 的高采样频率对科氏流量计的输出信号进行 采榉，然后用多抽一滤波器进行抗混叠滤渡窝撼取。多撼一滤波嚣分为瑟级，第一缓为8 抽i ，使实际的采样频率从3 8 ，4 k h z 降低判4 8 k h z ，滤波器的传递函数为： n 一轧5 g ( z 一1 ：竺掣 范5 ) 。 ( i 一皇叫) 3 式( 35 ) 中的零微点对消后拇到一个3 6 抽头的f i r 滤波器，这种滤波器在二次采样频 事麓各个倍数点具有5 个零点，这样可敬校丈地溺豫混叠在第二缀滤渡器通带中魏那麓频 率。第二级为6 抽1 ，采用1 3 1 阶f i r 滤波器。两个多抽一滤波器的系数在确定截止频率 ! !盒妲王些杰堂照主堂焦堡塞 后通过计算机辅助设计的方法得到。在实际的计算中，笔者经过研究，没有采用先滤波再 抽取的方法，而是采用抽取和滤波同时进行的方法。具体方法如下：对于第一级滤波器， 只当其数据缓冲区中有8 个新采样值存入时才进行一次滤波计算，所得的结果存入第二级 滤波器的数据缓冲区。当第二级滤波器的数据缓冲区中有6 个新值存入时，第二级滤波器 才进行一次滤波计算。通过仿真发现这种方法与先滤波再抽取的方法相比，可以大大地减 少计算所需的时间，但对计算精度的影响不大。经过两级抽取滤波后，将采样值的数量减 少到原来的1 4 8 ，采样频率也实际上降低为8 0 0 h z 。仿真结果表明该方法由于尽可能多 地获取了原信号的信息，所以比单纯用8 0 0 h z 采样、滤波所得的效果要好。而且绝大部 分的采样值只用丁滤波计算，并没有增加后续计算的负担，可以大人提高了系统的实时 性。 本节所研究的自适应谱线增强器使用的是零极点约束的直接型i i r 陷波器 2 8 - 3 0 】。零极 点约束是指陷波器的零极点满足如下条件：对于每对零极点，零点在单位圆上，并且位于 陷波频率处。极点则在单位圆内，且与零点同一角度，并尽可能的靠近零点，极点与原点 的距离为p 。由此可得陷波器的传递函数为 h ( z - 1 ) ：n 垫；竺二 ( 3 6 ) 气毒1 + p k a k z 。+ p j z 。 其中权系数吼= - 2 c o s ( - o k ，国+ 为陷波频率，n 为陷井数。对于科氏流量计的输出信号来 说，由于每路信号中只有一个期望的正弦波信号，所以”= 1 ，因此式( 36 ) 可以被简化为 4 ( z - i ) ：二丝；望毒 1 + d o c z 。+ p z 。 假陵信号为y ( n ) = as i n ( c o o n + 矽) + e ( n ) ，当口= 一2 c o s q , 时 ( 3 7 ) ( 1 + 口：叫+ ：叫) 已( 以) = ( 1 + d ：叫+ ：叫) y ( 订)( 3 8 ) 成立，其中z “为单位延迟网子，即y ( n ) z 一= y ( n 一1 ) 。式( 3 8 ) 表明当陷波频率等于信号 频率且p = 1 时，陷波器的输出中只含有自噪声e ( n ) ，正弦信号被完全滤掉，此时的陷波 器相当于y ( n ) 的一个白化滤波器。而对于0 p 五以使p 的自适应过程比信号频率即口 的自适应过程稍慢。兄的取值与信号特征有关，需要通过大量的仿真才能确定。由于兄 的最优值可以认为与p 的相等m ，所以此时旯可以按下式递推计算： a ( n ) = 0 9 9 5 2 ( n 一1 ) 十o 0 0 5 p ( n )( 3 2 6 ) 324 时变信号模型下的仿真结果 为了检验算法1 和算法2 的效果，笔者进行了仿真。仿真中的一些参数的初始值选择 如下： 工：2 0 0 0 h z 、以( o ) ：1 0 、甜( o ) ：丝竺。0 3 1 4 2 j ； 吼= 0 6 、= 1 0 一、吒= 1 0 一、吼= 1 0 。 信噪比为2 1 4 d b 。 对于算法1 ，自适应谱线增强器参数的初始值选择如下： 西( o ) = o 、p ( o ) = 1 0 0 、y ( o ) = 0 2 ( o ) = 0 9 、矗= 0 9 、丸= o 9 5 型嗵逖盘堂监堂照迨塞 p ( u ) 20 8 、p o = 08 成= o 9 8 仿真结果如图3 5 3 6 所示。 算法2 的仿真中，选择如f 参数： 西( 0 ) = o 、p ( 0 ) = 1 0 0 、y ( 0 ) = 0 ( o ) = 0 8 5 、p ( o ) = o 8 、九= 0 9 9 9 仿真结果如图3 7 39 和表3 1 3 2 所示。 图3 5 和图3 7 分别示出了两种算法频率估计的整体趋势圈。从图中可以看出，算法 】在第2 0 0 0 采样点处已经收敛，而算法2 约在第5 0 0