（测试计量技术及仪器专业论文）质量流量检测技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 科氏质量流量计( c o r i o i l sm a s sf l o w m e t e r ，简称c m f ) 是以法国科学家c o r i o l i s 命名的一种以流体流过振动管时产生与质量流量成正比的科里奥利力为原理的直接式 质量流量测量仪表。c m f 产品具有高精度、直接测量质量流量和流体密度以及不受流 体流型、粘度影响等优势。由于技术条件的限制，国产c m f 产品存在零点漂移大，精 度差的缺陷，因而目前国内c m f 产品主要依靠进口。 c m f 系统中的相位差信号处理是影响测量精度的最关键的技术之一。本文在分析 了c m f 的测量原理和发展现状后，对c m f 系统相位差信号处理作了较深入的讨论，在 分析和比较多种相位差信号处理方法的基础上，提出了一种基于线性插值的相位差检测 方法。该方法的基本思路是在两个正弦曲线零点附近近似线性信号区间采样序列中通过 插值的方法找到幅值最相当的两点求其时间差从而得到相位差，仿真结果显示它能较好 地克服零点漂移和高频噪声的影响。另外，在激振电路的设计过程中，利用频率跟踪技 术，使激振器可以跟随测量管振动频率的变化而变化，为精确计算相位差信号提供了硬 件支持，也提高了c m f 系统的精确度。在此基础上开发了一种基于单片机和c p l d 的 c m f 信号处理系统，详细地讨论了数据采集、c p l d 设计和单片机系统设计，并对系统 进行了实验和调试。 本文还在参考多种文献的基础上讨论了一种基于数字锁相环的c m f 信息处理算 法。仿真和分析的结果显示，该处理方法能够很好地抑制高频噪声和固定频率干扰的影 响。这为采用数字信号处理器来开发c m f 系统从而提高c m f 系统性能提供了理论参考。 关键词：科氏质量流量计，相位差，线性插值，复杂可编程逻辑器件，频率跟踪 质量流鼍检测技术的研究 r e s e a r c ho nm e a s u r i n gt e c h n i q u eo fm a s sf l o w m e t e r 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 ( c m f ) i sat y p eo f d i r e c tm a s sf l o w m e t e r , w h i c hi sn a m e dw i t h c o r i o l i s ，af r e n c hs c i e n t i s t i ti sb a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tw h i l el i q u i df l o w si n s i d ea n o s c i l l a t i n gp i p e ，t h ec o r i o l i sf o r c eg e n e r a t e si nad i r e c tr a t i ot ot h em a s sf l u xo ft h el i q u i d c m f p r o d u c t st a k et h ea d v a n t a g eo fm e a s u r i n gd i r e c t l yt h em a s sa n dd e n s i t yo fl i q u i da n d b e i n gn o td i s t u r b e db yf o r ma n dc o n g l u t i n a t i o no fl i q u i d d u et ot h er e s t r i c t i o no nt e c h n i q u e ， u pt on o w , o u rn a t i o n sc m fp r o d u c t sh a v ed e f a u l to fl o wp r e c i s i o na n do b v i o u sz g r od f i r ，s o o u rc m f p r o d u c t sc o m e sm a i n l yf r o mi m p o r t i nc m fs y s t e m , t h es i g n a lp r o c e s so fp h a s ed i f f e r e n c ei sak e yt e c h n o l o g yh a v i n ga n e f f e c tu p o np r e c i s i o no fm e a s u r e m e n t a f t e ra a n a l y z i n go fm e a s u r ep r i n c i p l e a n d d e v e l o p m e n ts t a t u s ，t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h e s t h es i g n a lp r o c e s so fp h a s ed i f f e r e n c ei n c m fs y s t e m al i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mu s e di np h a s ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n ti s p r e s e n t e da f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a lm e t h o do f p h a s ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n t i t s b a s a lp r i n c i p l ei st of i n dt w oc o r r e s p o n d i n gp o i n tw i t hc l o s ea m p l i t u d ea n dc o m p u t et h e i rt i m e d i f f e r e n c e ，w h i c hc a l li n d i c a t et h ep h a s ed i f f e r e n c e t h e s et w os a m p l i n gp o i n t sa r ea r o u n da t t h ez e r oo ft w os i n u s o i d a lc u r v e sw h i c ha r en e a rt ol i n e a r i t ya r o u n dt h e i rz e r o p o i n t s t h e a l g o r i t h mc a ne l i m i n a t et h ee f f e c t so fh i g h - f r e q u e n c yn o i s ea n dz e r od r i rw e l lf r o mt h e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t o t h e r w i s e ，i nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so fe x c i t a t i o nc i r c u i t ，i tc a n m a k et h ev i b r a t i o ng e n e r a t o rc h a n g ea f t e rt h es o u n d i n gp i p ec h a n g e sw i t hf r e q u e n c yt r a c k i n g t h i sg i v e ss u p p o r tf o ra c c u r a c yo fp h a s ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n ta n dc m f s y s t e m b a s e do n t h ea l g o r i t h mat y p eo f h a r d w a r es y s t e mi sd e v e l o p e da n dd a t aa c q u i s i t i o n s ，c p l dd e s i g na n d s i n g l ec h i pd e s i g na r ep r e s e n t e di nd e t a i l n e x t ，t h eh a r d w a r es y s t e mi se x p e r i m e n t e da n d d e b u g g e d a s i g n a lp r o c e s sa l g o r i t h mi nc m fs y s t e mb a s e do nd i g i t a lp h a s e l o c kl o o p ( d p l l ) i s p r e s e n t e di nt h ea r t i c l ea f t e rag r e a tm a n yd o c u m e n t sa r ec o n s u l t e d t h er e s u ro fs i m u l a t i o n a n da n a l y s i si n d i c a t e st h ea l g o r i t h mc a ne l i m i n a t et h ee f f e c t so f t h eh i g h - f r e q u e n c yn o i s ea n d f i x e d - f r e q u e n c yd i s t u r bv e r yw e l l t h ea l g o r i t h ms u p p l i e st h et h e o r yr e f e r e n c eo nd e v e l o p i n g t h ec m fs y s t e mw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc m f 沈阳一 业人学硕士学位论文 p r o d u c t s k e yw o r d s ：c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ，p h a s ed i f f e r e n c e ，l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，c p l d , f r e q u e n c yt r a c k i n g 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 。 签名：剖凡日期：幻口7 六f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：室! 吐垦 导师签名：拉丝盛日期：睦苎2 。：! 兰 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 本章对质量流量检测技术的发展历史和背景进行了介绍，通过对比，选择科里奥利 质量流量计( c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ，简称c m f ) 作为研究的方向，并简单分析了它 的测量原理，介绍了其优越性和它在应用中存在的一些问题，提出了本论文的研究任务。 1 1 引言 流量测量是一门迅速发展的技术，为了满足各行各业、各种工况的各种流体的流量 测量需要，仪表研究机构研究开发了各种原理的流量计，制造厂每年都有新型流量计供 应市场。过去难以解决的流量测量问题，如今有的获得了解决。流量测量方法和仪表的 种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达6 0 种之多。按 照目前最流行、最广泛的分类法，这些流量仪表可分为：容积式流量计、差压式流量计、 涡轮流量计、电磁流量计、质量流量计，下面通过表1 1 来阐述各种流量计的特点。 表1 1 各种流量计的特点 t a b 1 1c h a r a c t e r i s t i c so f e v e r y k i n d o f f l o w m e t e r s ( 1 ) 计量精度 高；( 2 ) 可用于 优点高粘度液体的 测量；( 3 ) 测量 范围宽 ( 1 ) 性能稳定可 靠，使用寿命 长；( 2 ) 应用范 围广泛；( 3 ) 便 于规模生产 ( 1 ) 最精确 的流量计； ( 2 ) 无零点漂 移，抗干扰能力 好； ( 3 ) 测量范围宽 ( 1 ) 无压力损 失；节能效果 好 ( 2 ) 流量范 围大，口径范围 宽；( 3 ) 可应用 腐蚀性流体 ( 1 ) 测量精度高； ( 2 ) 可测量流体范 围广泛 ( 3 ) 流体密度变化 对测量值得值的 影响微小 缺蚕萋琴薹瑟摹辫兰瓣 质量流母检测技术的研究 如表1 1 所示，由于质量流量的测量对于精度要求比较高，所以不能选用差压式流 量计；又根据所测对象的复杂性以及工作环境的复杂性，所以不能选用容积式流量计和 电磁流量计：最后为了保证仪表可以尽量地长时问稳定使用，所以不能选用涡轮流量计， 综上所述，选用质量流量计作为研究的主要方向。 利用科里奥利力原理设计的质量流量计始于上世纪中期，但发明家们始终未能解决 以简便方法使流体在直线运动的同时处于同一旋转系中的难题。1 9 5 3 年。yt l i 和s yl e e 提出了一种被称为l i l e e 质量流量计，但是它只是一个实验室装置。由于结构上 的弱点，它并不适宜做工业流量计。然而发明者仍然设法从结构上为产生科里奥利力创 造条件，利用科里奥利加速度和质量流量产生扭矩。从而使扭力管发生角偏转，且与质 量流量成正比，这样只要检测出偏转角即可测出质量流量。因此可以说l i l e e 流量计是 科里奥利质量流量计( 以下简称科氏流量计) 的先驱。美国的j a m e ss m i t h 于1 9 7 7 年发 明了基于振动方法的、结构简单的、将两种运动巧妙地结合起来的振动管式质量流量计， 才使科氏质量流量计的设计走出困境，于十多年内获得长足发展。尤其是近些年，科里 奥利质量流量计制造商有了明显的增加。我国也先后引进了上万台这类流量计。由于它 的技术复杂和性能优越，售价十分昂贵，产品具有很高的附加值。因此世界上各生产厂 商对它的技术，乃至原理都讳莫如深，不轻易透露具有实质意义的技术细节。因此就目 前情况来说，科氏质量流量计的理论还不能说是十分完善的 1 4 0 科氏质量流量计的重要优点是其具有测量单一或联机的设备中的质量流量的能力。 它还能测量密度。每个制造商都在设法研制能提供不同构造的流量管的科里奥利流量计 仪表。而每一种构造的仪表都有其各自的优、缺点。 1 2 科里奥利质量流量计的特点 科氏质量流量计能够直接获取与质量流量有关的信号，不受被测介质影响，它具有 如下的特点： ( 1 ) 可以测量范围广泛的介质，如油品、化工介质、造纸黑液、食品双组份液体 和制药业中的各种浆体等； ( 2 ) 实现了真正的、高精度的直接质量流量测量，这工f 是许多工业应用所迫切需 沈阳【业大学硕十学位论文 要的。在管内流动的流体无论是紊流还是层流状态都不影响测量精度，即使是粘度很高 的液体也具有很高的计量精度。其精度高达0 2 ，重复性优于o 1 ； ( 3 ) 流量计管内无可动部件，管路内无障碍物，便于清洗； ( 4 ) 可测量多参数。由于测量管的固有频率随流体密度变化，因此由检测管的振 动频率便可得到密度信号。利用密度信号可构成按流体密度差来切换流路的系统； ( 5 ) 外界干扰影响较大，对干扰敏感。c m f 对外界的振动干扰比较敏感，为防止 管道振动影响，一般将其固定。只要没有化学药物引起的管道腐蚀以及流沙引起的管道 磨损，一般不宜更换部件。因此，c m f 系统基本上无可动部件； ( 6 ) c m f 系统不能用于测量低密度介质。在测量含气液体时，如果含气量太大， 会影响测量精度； ( 7 ) c m f 系统体积较大。在目前世界范围内，c m f 系统的体积普遍较大且不易携 带，这使得其价格相对昂贵，制约了c m f 系统的广泛应用。 1 3 科里奥利质量流量计的使用范围 根据c m f 的性能特点，科氏质量流量计的主要用途有： ( 1 ) 直接测量介质质量流量的场所； ( 2 ) 要求严格控制化学反应的配比过程中； ( 3 ) 对于价格昂贵的添加剂用量的控制； ( 4 ) 在贸易结算或经济核算的计量中； ( 5 ) 有卫生要求的食品行业的过程计量； ( 6 ) 高粘滞性液体、浆液、双相混合液以及其它非牛顿液体的计量。 具体来说，国外市场按用户行业统计分析，化学工业占4 0 ，石油工业( 包括炼制 与储运) 占2 0 ，食品工业占2 3o 4 0 ，其它占1 7 。国内市场按用户行业分类缺乏详实 的统计资料。据初步了解以购买力强的企业为主要用户，如石油工业、大型化工、能源、 钢铁冶金等行业的企业，少量用于造纸业，鲜见于食品加工和制药行业。石油化工业在 很长时期内将是稳定增长的用户，而食品加工和制药行业将是较大的潜在用户【5 罐】。 质苗流晕检测技术的研究 1 4 科里奥利质量流量计的基本原理 法国科学家c o r i o l i s 在研究水轮机时发现，当质点在一个作回转运动的牵连坐标系 上运动时，质点的绝对加速度除了包含牵连和相对加速度外，还含有另一项附加加速度， 此加速度被命名为c o r i o l i s 加速度，简称科氏加速度，由此加速度产生的作用力即称为 科氏力。 c m f 就是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科氏力的原理制 成的。科氏力是由管道振动产生的。在多数的流量计中，流体管道的两端被固定。并在 两个固定点的中间位置上振动，这将使管道的两个半段以相反的方向振动旋转。当管道 中无流体流动时，在检测点处的相对位移的相位是相同的，但是在有流体流动时，科氏 力使之产生附加的扭曲振动，使得在检测点处的相对运动有一个很小的相位差，这个相 位差正好与质量和流速成讵比。测量这个相位差，就可获得质量流量。通常这个相位差 是微妙级或毫秒级的，因具体的振动管的结构而异。又因为介质密度不同，管道的振动 频率会有所改变，密度与频率有一个固定的非线性关系，因此，c m f 也可以测量密度。 由于管道材料的杨氏模量随温度变化而变化，如对于不锈钢，每变化1 摄氏度其杨氏模 量改变0 0 4 5 ，因此必须在管道附近设置一个测温元件( 通常是热电阻) ，其作用之一 是测量流体的温度，提供温度信号，二是作为温度补偿。 自从1 9 7 8 年c m f 问世以来，它即以优越的性能逐步在工业生产中赢得信赖。十多 年来，世界各国近2 0 家公司相继推出原理相同、结构各异、具有各自特点的产品。所 谓的结构各异，主要是指传感器测量管的结构和形状不同。根据测量管结构的不同，c m f 产品主要可分为弯管式和直管式两大类。目前大多数c m f 产品为弯管式，且呈u 型的 居多。u 型管c m f 的机械结构包括两根几何形状完全相同的u 型检测管。这两根u 型 检测管平行地、牢固地焊接在支撑管上，构成一个音叉，以消除外界振动的影响。两根 检测管在电磁激励器的激励下，以其固有频率振动，两根检测管的振动相位相反。由于 检测管的振动效应，在管内流动的每一个流体微团得到一个科氏加速度，u 型管便受到 一与此加速度方向相反的科氏力。由于u 型管的进、出两侧所受到的科氏力方向相反， 而使u 型管发生扭转，其扭转程度与u 型管的扭转刚性成反比，而与管内瞬时质量流 沈阳工业大学硕士学位论文 量成正比。位于检测管的进流侧和出流侧的两个电磁监测器在音叉每振动一周的过程 中，检测出两路振动信号，两路信号的相位差与检测管的扭摆度，也即瞬时流量成正比。 c m f 的原理决定了它具有精度高、测量范围大等突出优点。在过去十几年里，c m f 的 技术水平有了很大提高，应用范围也日趋广泛1 9 , 1 0 1 。 1 5 科里奥利质量流量计应用中存在的一些问题 质量流量计的仪表性能指标很多，最重要的指标是仪表的精确度、线性度和重复性。 仪表的精确度是仪表最重要的性能指标。科氏质量流量计一般都用带零点稳定度的流量 百分比来定义精确度。它可以看成是流量百分比精确度和满量程百分比精确度的综合体 现。零点稳定度表达了仪表测量真实零流量的能力，可以看成是仪表反应系统内出现的 干扰或微流量变化的能力。 下面我们主要讨论各种因素对流量计精确度的影响： ( 1 ) 振动影响科氏质量流量计对管线振动所引起的仪表振动较为敏感，它影响 了仪表的机械结构，而且这种干扰是分散的，不可重复的和连续的。m i c r om o t i o n 公司 是把仪表安装在工厂三轴振动仪上进行测试的，传感器直接安装在振动台上从2 0 2 0 0 0 h z 加载。在这些条件下，m i c r om o t i o n 定义振动效应为一额外的测量偏差，表达 为额定流量的百分比。为消除振动的影响，尤其对小于1 秒的短期振动，可通过增加阻 尼系数和安装可靠的支撑杆来消除或减小振动的影响。在仪表两侧安装可靠的支撑尤为 重要。m i c r om o t i o n 质量流量计要求支撑点离传感器的工艺连接点越近越好。安装在传 感器附近的管道支撑面或卡子应安装在同一连接面上，且不可把传感器外壳当支撑件使 用。 ( 2 ) 安装应力的影响由于科氏质量流量计的工作主要靠振动管的振动，让振动 管在自由状态下工作能大大提高仪表的测量精确度。因此仪表的安装应在无应力状态下 进行，否则由于产生扭应力，会影响振动管的测量精确度。消除或减少应力影响的途径 就是要求仪表安装时工艺管道与法兰对准，使之保持同轴以减小拉应力和剪应力。安装 时先固定仪表，且仪表配管与主管线碰头应在自由状态下连接或焊接。 ( 3 ) 压力的影响在科氏质量流量计中，压力对流量影响很小。当工作压力从校 质最流量检测技术的研究 正压力上升时，振动管刚度的轻微变化产生一个负向偏差，相反，压力从校正压力下降 时，传感器的结构松弛产生一个正向偏差。振动管的几何形状中，外观直径和管壁厚度 对压力敏感度有很深的影响。对于大的传感器，随着这个比例的降低，压力效应越来越 明显。由于压力效应对所引起的偏差重复性很高，因此可以进行修正。通常通过接入压 力变送器来修正振动管由于压力变化对流量计造成的影响。 ( 4 ) 温度的影响在科氏质量流量计中，工艺温度的变化影响管予的刚性和零点 稳定性。传感器随温度变化其刚性发生变化。与弹性变化有关的杨氏弹性模量是温度的 函数，这种变化是重复的、可校正的。但零点稳定性的效应却不能被校正，因为它是传 感器中的几何结构不均衡引起的，是不可重复的。工艺温度对仪表零点稳定性的影响可 以通过仪表在操作温度下调零来消除。环境温度影响科氏质量流量计的信号处理电路和 模拟输出电路。温度周期性的变化会引起传感器的模拟元件信号的漂移，这些元件包括 电阻，电容，微处理器和电源部件。这对仪表的性能会产生影响。总之，不管何种科氏 质量流量计，都可通过在操作温度下的仪表调零来消除或减小工艺温度和环境温度变化 所引起的误差。 ( 5 ) 液体中所含气体的影响一般液体中游离的少量气体对科氏质量流量计测量 值影响不大。当气泡在液体中分布均匀时，确实影响很小，但对于大多数介质，从液体 中析出的气泡都不均匀，因此对测量的影响不可忽视。 ( 6 ) 环境条件的影响大部分流量传感器通常不受环境条件的影响，如果介质受 温度的影响易结晶，则选用流量传感器外壳加保温电热管和蒸汽保温管的型号。由于传 感器工作时应用电磁场，所以不能将传感器安装在大的干扰磁场附近。传感器与大的变 压器或电动机之间至少应有o 6 m 的距离，不要将传感器和变送器互相连接的电缆覆盖 在诸如电动机等产生磁场的设备上。经验表明，m i c r om o t i o n 质量流量计安装在大型箱 式变压器l m 远处会引起0 6 的误差。 ( 7 ) 印刷电路板的设计对于数字信号通过电源线对输出信号的影响，应采用电 源退耦，或者数字和模拟电路采用两组电源供电来抑制。从示波器上可以看到，电源电 压是被数字信号所调制的，而模拟电路的抗电源电压波动能力是有限的，所以上述措施 6 沈阳丁业大学硕士学位论文 是非常必要的。对于数字信号通过分布参数对模拟信号的影响要通过合理设置数字信号 和模拟信号线的走向来减弱这种耦合。对于外部电磁和静电干扰要采用屏蔽措施。准确 测量流量，提高计量精确度是目前普遍关心的问题，尤其对于贸易计量更显出迫切性。 采用先进的质量流量计无疑是一个很好的手段，但任何计量仪表都有其局限性，都有自 身适应的条件，都存在影响测量精确度的因素，因此在使用新的测量技术时一定要掌握 仪表的性能，熟悉其适用的各种条件，从而更好地提高仪表的测量精确度 1 1 - 1 3 1 。 1 6 课题的主要任务 本课题的研究任务是在以前研究的基础上，运用数字技术和信息处理技术设计和完 善科里奥利质量流量计的数字部分硬件和软件，设计出以复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ， 即c p l d ) 为处理核心的科氏质量流量计，使其具有集成 度高、功耗低、功能强、体积小等特点。通过试验，对此流量计的性能进行测试和调试。 质量流肇检测技术的研究 2c m f 系统相位差检测技术 2 1 引言 由科氏力测量基本原理，c m f 的u 型管上的左、右拾振器输出的信号是两路正弦 信号。当测量管中有流量时，因为科氏力的作用，两路信号产生了相位差，这个相位差 一般很小，并随测量管内流体流量增大而增大。流体的质量流量与此相位差成线性关系， 为了得到精确的流量值必须测量出精确的相位差值。相位差检测技术是c m f 系统的关 键技术之一，采用何种相位差检测技术直接决定系统的构成以及仪器的精度。 2 2 常用相位差检测技术 ( 1 ) 矢量法和相乘法将两同频正弦信号相加、相减或相乘后经过一个低通滤波 器可以得到相位差的正弦或余弦值，反正弦或反余弦运算后即可得到相位差的值。根据 运算方法的不同分别称为矢量法和相乘法。这两种类似的方法适用于频谱单一的高频正 弦信号较大相位差时的测量。如果信号的频率较低，那么低通滤波就难以做到很精确。 而相位差较小的话其余弦值接近于1 ，灵敏度很低。另外还要求信号必需频谱单一，噪 声和干扰对测量结果的影响很大。 ( 2 ) 过零鉴相法如图2 1 所示，实际中最常用的检测方法是过零鉴相法以及经过 改进的双向过零鉴相法。基本方法是将两路信号过零比较后整形，然后鉴相得到相位脉 冲信号，最后高频计数得到相位差。双向过零鉴相时还有一个失调脉冲方波修正的过程。 双向过零鉴相法很好的解决了温度漂移和比较器失调对于测量误差的影响，但是，噪声 和干扰对测量误差的影响也很大，并且在相位差较小时，受计数时钟精度的影响，测得 相位差精度也会降低。 沈阳工业大学硕士学位论文 幅 值 li i i 一 | i l 门厂厂 i；i；jii !；!；! ；!l! 图2 1 过零鉴相波形关系图 f i g 2 1t h eg r a p ho f r e l a t i o nt oz e r oc r o s sp h a s ed i s c r i m i n a t i o n ( 3 ) 最小二乘法还有一种基于最小二乘法( l m s ) 的相位检测方法。该方法通 过对输入信号的数字采样，通过一些矩阵变换和计算后可同时求得两个信号的幅值和相 位角。此方法计算较为复杂，在噪声和干扰较小且信号频谱单一的情况可以得到很高的 精度( n k 后的值。对精减后的y l 序列中的每一个值，找出令f y l 一y 2 1 最：j 、所对应的蛆( 七) ，这样 可求得两信号的相位差p h ( i ) = 2 n f ( 一i ) f s 。对p h ( i ) 序列取平均值即得相位差值。 采用这种方法，当p h = o 0 3 ，并且不加噪声理想状态下利用程序仿真可计算出p h = 0 0 3 0 1 5 9 2 9 0 ，相对误差们= l p h - p h l p h = 5 3 1 o 。线性插值法原理图如图2 2 所示。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 y 1 ( n ) i：k -尸 ， i m o h _ k 。丑取7 仃- i - 一 一王喜。一享五 西 盅 k 。 薯 蕈 y 2 群i 量 一 1 胡： r 也一 ： ， l 图2 2 线性插值法原理图 f j 9 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f l i n e a ri n t e r p o l a t i o n m p h = ( y l ( o ) 一y 2 ( k ) ) ( y 2 ( k + 1 ) - y 2 ( k ) ) p h = 2 矿( 七+ m p h ) f s ( 2 3 ) ( 2 4 ) t = 七+ ( y l ( o ) 一y 2 ( k ) ) ( y 2 ( k + d - y 2 ( k ) ) ( 2 5 ) 下面将利用1 4 位a d 转换器可以达到的分辨率用线性插值的方法提高相位差测量 精度。 忽略掉正弦信号在过零点附近的非线性影响，在上面的1 m h z 的取样中，y 1 和妒 序列都可以看作等差数列，序列中相邻值的差值为2 4 + s i n ( 2 矿e s ) = 0 0 0 1 5 ，而1 4 位 a d 的分辨率为t 2 “= 1 1 6 3 8 4 ，也就是说在取样值序列中相邻值之间还可以插入 0 0 0 1 5 ( 1 1 6 3 8 4 ) = 2 4 5 7 6 0 个值。这样，对于精减后的j ，l 序列中的每一个值，先找出令 y l ( i ) 业大于零且最接近于零的y 2 中的点y 2 ( k ) 的序列号尼，再找出使 质鼍流鼍检测技术的研究 l y l ( i ) 一y 2 ( k ) 一，2 “i 最小的值，于是相位差： p h ( i ) = 2 矿( j j 一f + 0 2 “) ( y 2 ( k + 1 ) y 2 ( k ) ) ) f s ( 2 6 ) 模拟信号经过a d 数字采样后变成了有限位数长的离散的数字值，这样肯定存在一 个_ ，使得i y l ( f ) 一y 2 ( k ) 一2 “| _ 0 成立，也就是说相位差可表示为： p h ( i ) = 2 n f ( k f + ( y l ( i ) 一y 2 ( k ) ) ( y 2 ( k + 1 ) - y 2 ( k ) ) ) f s ( 2 7 ) 在实际应用时在y 1 的零点附近取一个采样值即可，取i = 0 有： p h = 2 ，r f ( k + ( y l ( 0 ) 一y 2 ( k ) ) ( y 2 ( k + 1 ) 一y 2 ( k ) ) ) f s ( 2 ，8 ) 2 3 2m a t l a b 仿真和分析 下面利用m a t l a b 软件进行算法仿真和验证。 当信号幅值放大到1 0 v ，信号频率f = 1 0 0 h z ，采样频率f s = 1 m h z 时，1 4 位a i d 转换器时间域分辨率为：t = ( 1 2 “) ( 1 0 s i n ( 2 d f f s ) ) = 9 7 n s ；相位差p 肛0 0 1 弧度的时 候相位差测量精度为：r l = 2 n f f p h = 0 6 1 o 。 信号频率越低，实际相位差越大，则理论上测量精度越高。 在m a t l a b 仿真程序中，假设两路信号序列为： y l ( n ) = 1 0 s i n ( 2 z r f ( n 一1 ) f s + 2 x ( c 1 ) ) ( 2 9 ) y 2 ( n ) = 1 0 s i n ( 2 n f ( n 一1 ) f s p h + 2 n ( c 1 ) ) ( 2 1 0 ) ( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 两式中c 为采样的周期序列号， 肋和f s 同前面所述。 实际计算中需要采集到y 2 ( 珂) 在零点附近的两个相邻值，这里y 2 ( 疗) 相邻采样 值之间的距离： a = y 2 ( n + 1 ) - y 2 ( n ) | = 1 1 0 + ( s i n ( 2 z r f n f s ) - s i n ( 2 z r f ( n - 1 ) f s ) ) l = i 1 0 4 2 + c o s ( x f ( 2 n i ) f s ) + s i n ( ；r f f s ) i ( 2 1 1 ) 1 2 0 + s i n ( x f f s ) i = 0 0 0 6 2 8 沈阳工业大学硕士学位论文 a d 转换器的转换范围一般在- - + 2 5 v 以内，远小于2 5 v ，所以能够保证对y 2 ( ，1 ) 的有效采样，同时根据对测量精度的要求还可以提高信号幅度。 按照式( 2 8 ) 对序列y l ( n ) 的每个周期取一个斜率为正的零点附近值，找到和这 个值对应的妮( 七) 和，取1 0 0 个周期平均，计算出相位差并取其平均值以减小高频干 扰导致的误差。 如图2 3 a 和图2 3 b 所示的曲线图，从下面的曲线图可以看出在只考虑1 4 位a d 转换器量化误差的无噪声情况下，两路信号相位差真实值大于o 0 2 弧度时测量误差率小 于1 o ，并且误差率随着实际相位差的增大而减小。 测 量 误 差 测 量 误 差 实际相位差( 弧度) 图2 3 a ) m a t l a b 仿真测量无噪声理想信号误差曲线图 f i g 2 3 a ) t h ee r r o r g u r v e o f m a t l a bs i m u l a t i n g m e a s u r e m e n t w i t h o u t n o i s e 实际相位差( 弧度) 图2 3 b ) m a t l a b 仿真测量加噪声信号误差曲线图 f i g 2 3 b ) t h ee r r o rc u r v eo f m a t l a bs i m u l a t i n gm e a s u r e m e n tw i t hn o i s e 质晕流量检测技术的研究 在考虑乘性噪声影响的情况下，m a t l a b 仿真计算中将两信号假设为： y l ( n ) = 1 0 + ( 1 + o 0 1 + r a n d n ) + s i n ( 2 ，r f ( n 一1 ) f s + 2 n ( c - 1 ) ) ( 2 1 2 ) y 2 ( n ) = 1 0 + ( 1 + o 0 1 + r a n d n ) + s i n ( 2 ，r f ( n - 1 ) f s 一肋+ 2 n ( c - 1 ) ) ( 2 1 3 ) 上面两个式子中r a n d n 为一个期望为0 ，方差为l 的高斯随机数，用来模拟高斯噪 声。 如图2 3 b 中的曲线图为m a t l a b 仿真计算零均值乘性噪声情况下的结果。可以 看出乘性噪声对测量精度影响较小，实际计算中取样周期可以小于1 0 0 ，所得结果基本 能达到1 的精度要求。上面的分析和仿真中取的是正弦波形，可以看出的是此算法并 不严格要求信号为正弦波，另外只要能够保证两路信号幅值相等和零点漂移相同，零点 漂移对测量精度的影响也几可忽略。 此外，上面分析的方法依赖于1 4 位a d 转换器可以达到的分辨率，实际上可以进 一步加以改进从而用1 2 位的a d 转换器达到精度要求。考虑到对信号进行多级、高倍 放大所带来的非线性和零点漂移的影响所产生的累计误差难以控制，前面的分析中信号 幅度只放大到1 0 v ，插值区间较小。可以看出，在其后的分析和仿真计算中利用到的只 是信号的零点附近的极短时间段内的信号，且零点漂移对计算结果的影响微乎其微，所 以可以完全不考虑进行高倍放大对信号带来的影响。对信号的放大也就意味着信号零点 附近近似线性线段的斜率的增大，也即插值区间的增大，从而降低了对a d 转换器分辨 率的要求。对信号幅度再放大四倍，即可采用1 2 位的a d 转换器代替1 4 位a d 转换 器而取得同样的结果。 这种线性插值方法的优点是计算很简单，硬件上只需要一个单片机系统就可以实 现。另外，尽管加性噪声影响较大，但本算法只需要信号在零点附近的少数采样值，不 需要信号为严格单一频率的正弦波，所以在两路信号前端处理电路相同的情况下零点漂 移和波形失真对测量精度的影响是很小的 1 8 , 1 9 1 。 沈阳= 业人学硕士学位论文 3c m f 系统硬件设计与开发 本章分析了基于线性插值相位检测方法的c m f 系统中信号处理部分包括模拟和数 字两个子部分的硬件电路设计，其中对系统数字部分硬件电路的设计与实现进行了详细 论述。 3 1 系统硬件设计概述 如图3 1 所示，为c m f 系统总体硬件框图。整个c m f 硬件系统可以划分为模拟与 数字两个部分。在系统模拟部分中，位于u 形测量管两侧的左、右拾振器输出两路有相 位差的同频正弦信号，模拟信号处理电路对此两路信号进行滤波、放大然后进行过零检 测，转换为两路有相位差的同周期方波信号a p 、b p ，与放大后的正弦信号a ，b 和由 温度传感器得到的温度信号一同作为数字部分的输入。 - 1 ”r模 l a d i 传 一左拾振器卜 拟 数据i 感 信 l 采集l 堕 i 片 振 号 机 动 处 系 管 叫激振线圈l 卜 理 v 统 电 悸c p l dp 路 一温度传感器卜 模拟部分数字部分 图3 1c m f 系统硬件框图 f i g 3 1t h eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f c m fs y s t e m 在系统数字部分，c p l d 系统首先对两路方波信号进行处理，得到a d 数据采集的 控制信号。数据采集部分在c p l d 的控制下对模拟信号a ，b 和温度进行采样，将模拟 质量流量检测技术的研究 信号转换成数字信号，然后送至c p l d 进行预处理。单片机系统一方面对数据进行处理， 得到流体流量：另一方面将得到的数据结果进行处理在l c d 上显示。当有按键按下时 单片机系统进行响应并做出相应处理，在意外发生时，为了保证流量测量的连续性，必 须对数据现场进行保护【2 们。 因此，如上所述，系统模拟部分硬件主要完成的功能包括：激励、信号放大、滤波 以及过零鉴相；而系统数字部分硬件主要完成的功能包括：数据采集、数据处理、数据 显示与传输以及键盘功能。 3 2 模拟部分硬件设计 系统模拟部分硬件主要完成对u 形测量管的激励以及对左、右拾振器输出的正弦信 号的放大和过零鉴相。按其所实现的功能可将模拟部分硬件划分为激励电路、放大和滤 波电路以及过零比较鉴相几个部分。其系统结构如图3 2 所示。 图3 2c m f 系统模拟部分硬件框图 f i g 3 2t h ea n a l o gh a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f c m fs y s t e m 激励电路产生自适应的脉冲信号作用于激励线圈从而使u 形测量管振动并在科氏 力作用下发生扭振。左、右拾振器检测振动信号并输出两路有相位差的同频正弦振动信 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 采集部分进行数字采样，另一方面通过过零比较，输出两路有相位差的同频方波信号 a p 和b p 。本文后面的讨论中，假设方波a p 在相位上超前于方波b p 。 由拾振器输出的两路有相位差的正弦振动信号幅度很低，并伴有高频噪声，为了提 取此二路信号的相位特性，必须首先对它们进行放大，同时滤波以去除高频噪声。通过 利用比较器实现的过零比较，可以将左、右拾振器输出的正弦信号转换为有相位差的同 频方波信号，从而提取出初步相位信息供系统数字部分硬件处理，实现对数字采样部分 的控制【2 l - 2 3 。 3 3 数字部分硬件设计与开发 数字处理系统主要包括数据采集、c p l d 系统、单片机系统及其外设三个大的部分。 c p l d 部分控制数据采集并对采集到的数据进行预处理，处理后的数据送入单片机系统， 最后得到相位差值以及流量质量等。 由第2 章的分析，基于线性插值的相位差检测方法数据处理是很简单的，8 9 c 5 5 完 全能够胜任数据处理工作。但8 9 c 5 5 速度有限，这样就不易直接对a d 转换器进行控 制。另外，由线性插值方法可以看出，实际计算相位差的时候需要的a d 采集到的数据 只包括一个y l ( o ) 值和不小于这个y l ( o ) 值的y 2 ( 七) 及业( 斛1 ) ，也就是a d 转 换器并不需要采集到模拟信号的整个周期的数据，为此，硬件系统用一片c p l d 对数据 采集部分进行控制，使a d 转换器只采样相位超前信号y 1 的零点附近的一个值y l ( o ) 和相位滞后信号皿的不大于y l ( o ) 的采样值，然后在c p l d 中进行一定的预处理得到 需要的y l