科氏流量計(jì)的信號處理方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

潘天德

摘 要：文中首先對科氏流量計(jì)的基本原理及其性能進(jìn)行了介紹，然后對科氏流量計(jì)信號處理方法的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，最后對研究發(fā)展的趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：科氏流量計(jì)；信號處理方法；頻率估計(jì)；相位差估計(jì)；綜述

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.216

0 引言

科氏流量計(jì)（Coriolis Mass Flowmeter，英文縮寫為CMF），是一種基于科里奧利原理的直接式質(zhì)量流量計(jì)，它可以高精度、可靠地測量流體的質(zhì)量流量，其基本原理是通過測量兩路傳感器輸出信號的頻率和相位差來計(jì)算流體的質(zhì)量流量的。自美國艾默生高準(zhǔn) （Micro Motion） 公司率先投產(chǎn)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，其性能和規(guī)格也在不斷完善，除了可用于各種常規(guī)的流體外，還可用于漿液、液化氣體和壓縮天然氣等非常規(guī)流體，在航天、石油、化工、天然氣、雷達(dá)、造紙、電力、水處理、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重要的作用，是當(dāng)前研究較多、發(fā)展最為迅速、最具代表性的流量測量儀表之一。

1 科氏流量計(jì)的基本原理

科氏流量計(jì)由一次儀表和二次儀表組成。一次儀表包括測量管、傳感器和激振器等。二次儀表是對一次儀表輸出信號進(jìn)行處理的變送器。

與其它類型的流量計(jì)相比，科氏流量計(jì)具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）可高精度直接測量質(zhì)量流量，不受被測介質(zhì)的物理參數(shù)影響；（2）可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量，如密度、體積流量、溫度；（3）測量范圍大；（4）便于維護(hù)和保養(yǎng)。

2 科氏流量計(jì)信號處理方法的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的科氏流量計(jì)信號處理方法采用的是基于模擬電路的信號處理方式，主要存在如電路復(fù)雜，可靠性不高，穩(wěn)定性不好，流體測量精度較差，且易受噪聲的干擾等問題。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對科氏流量計(jì)的測量精度的要求也在不斷提高，為此，國內(nèi)外學(xué)者紛紛著手研究數(shù)字信號處理方法來提高流體的測量精度。其中，科氏流量計(jì)的信號處理方法也可分為頻率估計(jì)方法和相位差估計(jì)方法。

目前較為常用的科氏流量計(jì)的信號處理方法有以下幾種：

2.1 基于離散傅里葉變換（DFT）的方法

離散傅里葉變換（DFT）的方法是數(shù)字信號處理方法中一種傳統(tǒng)有效的基本方法，是通過傅里葉變換得到信號的頻譜，然后利用頻譜特征計(jì)算相位和相位差。DFT在一定程度上能克服諧波和噪聲的干擾，有利于低信噪比條件下測量頻率和相位差。在DFT計(jì)算中，當(dāng)非整周期采樣時（即參與DFT計(jì)算的序列長度不是原信號周期的整數(shù)倍）會造成頻譜泄漏現(xiàn)象，使得信號頻率和相位的計(jì)算含有較大的誤差。

首先采用DFT處理科氏流量計(jì)信號，將整個信號處理過程分為初始化、相位差測量和頻率跟蹤三個階段。當(dāng)非整周期采樣時，DFT的計(jì)算結(jié)果不能滿足儀表精度的要求，為此提出了粗測、細(xì)測和頻率跟蹤的思路。在頻率跟蹤階段提出了一種過零采樣法，然而在實(shí)際測量中，當(dāng)頻率變化時很難準(zhǔn)確采集到信號的過零點(diǎn)，過零采樣不易實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)字相關(guān)法

采用數(shù)字相關(guān)法來實(shí)現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計(jì)信號的相位差檢測，其基本原理是利用兩同頻正弦信號的延時為零時的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正比的原理得到相位差。在理想情況下，噪聲和信號不相關(guān)，且噪聲之間也不相關(guān)，兩個信號在一個周期內(nèi)的相關(guān)計(jì)算與兩信號之間的相位差存在余弦關(guān)系，信號間的相位差可以由反余弦函數(shù)求出。由于科氏流量計(jì)工作時，振動信號的頻率會由于外界干擾或流體特性的變化而發(fā)生改變，當(dāng)參與相關(guān)計(jì)算的序列長度不是信號周期的整數(shù)倍時，相位差計(jì)算中含有誤差。為此，提出了通過檢測相關(guān)計(jì)算是否波動來判斷求相關(guān)區(qū)域是否為整周期的方法，并提出了克服非整周期序列長度誤差的算法，使計(jì)算序列盡可能接近信號周期的整數(shù)倍，從而減小相位計(jì)算誤差，并進(jìn)行頻率跟蹤。由于噪聲信號通常與有效信號相關(guān)性很小，而該方法有很好的噪聲抑制能力，能夠抑制所有與參考信號不相關(guān)的各種形式噪聲，但是要求對信號實(shí)行嚴(yán)格整周期采樣，對于相關(guān)性強(qiáng)的干擾信號和諧波干擾，在低信噪比條件下，測量誤差較大。測量精度受采樣點(diǎn)數(shù)的大小的影響，采樣點(diǎn)數(shù)值越大，測量越準(zhǔn)確。該方法可以對未知頻率的信號可以進(jìn)行相位差測量，適合高頻正弦信號相位差的測量。

2.3 基于希爾伯特（Hilbert）變換的方法

Hilbert變換法是通過分別對采集到的兩路同頻正弦信號及其Hilbert變換后的信號進(jìn)行處理后得到關(guān)于兩路信號相位角的時間函數(shù)，相減后得到相位差的時間函數(shù)。其具體的處理過程為：分別以標(biāo)準(zhǔn)正弦和余弦與采集到的信號及Hilbert變換后的信號相乘后，經(jīng)過運(yùn)算使采集到的信號經(jīng)過處理后只是關(guān)于相位角的時間函數(shù)。對兩路同頻正弦信號分別利用Hilbert變換法解調(diào)得出它們的相位變化情況，相減后就可以實(shí)現(xiàn)相位差的動態(tài)測量。Hilbert變換解調(diào)動態(tài)信號的包絡(luò)線能反映整個過程中的狀態(tài)變化，有瞬態(tài)特性，但是它對計(jì)算機(jī)的速度、存儲能力、計(jì)算能力和實(shí)時性均有一定要求，隨著計(jì)算機(jī)和信號處理等技術(shù)的進(jìn)步，將會不斷克服儀器設(shè)計(jì)上的困難和提高檢測精度。

2.4 基于時變信號模型的方法

用頻率、幅值和相位均按照隨機(jī)游動模型變化的信號來描述科氏流量傳感器的輸出信號。采用能跟蹤頻率變化的自適應(yīng)格型陷波器對頻率、幅值和相位均按照隨機(jī)游動模型變化的科氏流量計(jì)傳感器輸出信號進(jìn)行濾波，求其頻率；采用自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器從含有噪聲的數(shù)據(jù)中提取出信號；然后采用具有重疊窗的滑動GoertzeI算法實(shí)時計(jì)算兩路信號之間的相位差和時間差，求得質(zhì)量流量。仿真和測試結(jié)果表明所研究的方法是實(shí)用有效的。

3 科氏流量計(jì)信號處理的發(fā)展方向

以上各種方法是目前應(yīng)用最為廣泛的幾種方法。DFT頻譜分析方法由于抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算效率高、硬件要求較低、適用范圍廣等特點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在對于時變信號模型下的信號處理方法已是發(fā)展趨勢。基于相關(guān)法、Hilbert變換法、Goertzel算法、自適應(yīng)算法等將是未來的發(fā)展方向，也將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

筆者認(rèn)為科氏流量計(jì)信號處理方法的發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：

（1）基于時變信號模型的科氏流量計(jì)高精度相位差估計(jì)方法研究；

（2）基于時變信號模型的科氏流量計(jì)高精度頻率估計(jì)方法研究；

（3）復(fù)雜條件下科氏流量計(jì)的信號處理方法研究。