混頻算法在科氏質量流量計上的應用

蘇剛琴，秘長青

（中航工業 太原太航流量工程有限公司，太原 030006）

0 引言

科里奧利質量流量計根據科里奧利原理可直接測量流體的質量流量。當有流體流過測量管時，產生一個正比于流體質量流量的科氏力，使測量管入口側傳感器產生的正弦波信號相位發生滯后，而出口側傳感器產生的正弦波信號相位發生超前。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量流量，由于振動頻率隨流體密度的變化而變化，故質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。只有精確地實時測量傳感器的相位差及其振動頻率，才能達到精確測量流體的質量流量的目的。同時根據檢測到的流體溫度，對質量流率及密度進行校正，以補償管道的剛性，根據質量流率及密度還可計算出體積流率。

科氏質量流量計已知的測量相位差的方法中，有根據兩路正弦波信號經調理后檢測其過零點的時間差，也有利用數字信號處理器（DSP）對信號進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[1-4]。本文應用混頻算法，實時計算出科氏質量流量計振動管上兩路同頻信號之間的相位差，并根據捕獲到的信號頻率，最終解算出流體的質量流量。

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。科里奧利質量流量計的振動傳感器信號可以描述為一系列正弦函數的和，通過合適的濾波，可將其基波信號的信息提取出來[5]。在二次儀表的信號調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，再經過放大電路進行入A/D轉換器，對傳感器信號進行過采樣，再通過SINC濾波器，對過采樣的數據進行抽取并濾波，對濾波后的信號應用DSP進行混頻運算，解算出兩路同頻信號的相位差。要提高科里奧利質量流量計的測量精度，關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。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，可達到理想的郊果。將兩路傳感器的輸出信號表示如下

上述公式中A為傳感器輸出信號的幅值，ω為信號頻率，φ為信號的相位差，ε為高倍頻干擾信號或噪聲。

對信號進行調理、采樣，用一本振信號

與x1、x2進行混頻處理并濾波后，得到

解算出φ值，即相位差。由相位差信息、捕獲的傳感器振動頻率及介質溫度，可計算出介質的瞬時流量、密度及總量等數據。

圖1 混頻算法的信號處理框圖Fig.1 Block diagram of mixing algorithm

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，通過頻率對相位進行修正，從而可以進一步提高相位差的檢測精度。

2 混頻算法的應用

基于混頻算法的科氏質量流量計測量方法，首先對科氏質量流量計傳感器的兩路輸出信號，經過調理后，由雙路同步AD轉換器進行采樣，傳送數據到數字信號處理器DSP，由DSP對采樣數據歸一化后，進行混頻處理，即對傳感器的非線性時變信號，通過與一本振信號混合，在時域中進行變頻運算，得到所需的頻率信號，再經過濾波，最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的質量流量與密度。同時根據流體介質的溫度，對流體的質量流量與密度進行溫度補償，得到實際的質量流量與密度值。基于混頻算法的科式質量流量計變送器原理框圖如圖2所示。

圖2 混頻算法的變送器原理框圖Fig.2 Block diagram of transm itter base on m ixing algorithm

3 標定結果

運用混頻算法對科氏質量流量計兩路傳感器信號進行數字處理，最終解算出流體的質量流量。基于該原理的數字質量流量變送器樣機在公司標定站配標不同型號的質量流量傳感器進行標定，標定結果見表1。

表1 流量計測試記錄1Table 1 Flow meter test record 1

表1中的數據為數字變送器與太航DN50傳感器連接進行標定所得，該型傳感器振動頻率為70Hz左右。從表1中可以看出，其標定結果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復性±0.05%，標定量程比達到30:1。

表2 流量計測試記錄2Table 2 Flow meter test record 2

表2中的數據為數字變送器與太航DN25傳感器連接進行標定所得，該型傳感器振動頻率為80Hz左右。從表2中可以看出，其標定結果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復性在 ± 0.05%以內，標定量程比為15:1。

從以上兩組標定數據可以看出，基于混頻算法的質量流量數字變送器，與模擬變送器相比，提高了測量精度及計算速度，擴大了量程比，對質量流量計的實際應用具有重要意義。

4 結論

基于科里奧利原理的質量流量計，其傳感器的相位差測量方法國內外有許多種[4][5]，本文將混頻算法的相位差測量方法應用在質量流量變送器上，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，擴大量程比，抑制噪聲等都有很大的優勢。變送器樣機連接不同口徑、不同頻率的傳感器進行了實際標定，標定結果達到了最初的設計要求。擴大量程比拓寬了質量流量計的應用范圍，在實際應用中具有重要的作用。

[1]恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司.科里奧利質量流量計的測量和運行電路{P}.中國專利：ZL 01815586.3,2005-8-10

[2]微動公司.用于科里奧利質量流量計測量的自適應線性增強方法和裝置{P}.中國專利：ZL 96195446.9,2003-4-2

[3]田桂平,萬鈞力,陳艷濤.基于矢量內積法的高精度數字相位差計[J].電測與儀表,2004,(10)：16-18.

[4]李澤光.基于正交雙通道算法的相位差測量[J].儀器與儀表,2004,(2)：21-22.

[5]飛思科技產品研發中心.輔助信號處理技術與應用[M].北京：電子工業出版社,2005：147-150.