混频算法在科氏质量流量计上的应用

苏刚琴，秘长青

（中航工业 太原太航流量工程有限公司，太原 030006）

0 引言

科里奥利质量流量计根据科里奥利原理可直接测量流体的质量流量。当有流体流过测量管时，产生一个正比于流体质量流量的科氏力，使测量管入口侧传感器产生的正弦波信号相位发生滞后，而出口侧传感器产生的正弦波信号相位发生超前。在测量管的振动频率一定的情况下，上述两路正弦波信号相位差正比于流过测量管的流体的质量流量，由于振动频率随流体密度的变化而变化，故质量流量正比于相位差与振动频率之比，即正比于两路正弦波信号时间差。只有精确地实时测量传感器的相位差及其振动频率，才能达到精确测量流体的质量流量的目的。同时根据检测到的流体温度，对质量流率及密度进行校正，以补偿管道的刚性，根据质量流率及密度还可计算出体积流率。

科氏质量流量计已知的测量相位差的方法中，有根据两路正弦波信号经调理后检测其过零点的时间差，也有利用数字信号处理器（DSP）对信号进行傅立叶变换以得到两路同频信号的相位差，还有基于矢量内积法来测量相位差，以及基于正交双通道算法来测量相位差[1-4]。本文应用混频算法，实时计算出科氏质量流量计振动管上两路同频信号之间的相位差，并根据捕获到的信号频率，最终解算出流体的质量流量。

1 混频算法的基本原理

混频算法的信号处理框图见图1所示。科里奥利质量流量计的振动传感器信号可以描述为一系列正弦函数的和，通过合适的滤波，可将其基波信号的信息提取出来[5]。在二次仪表的信号调理电路中采用积分滤波电路，滤除掉传感器输出的带噪声的时变正弦小信号中高次谐波与尖峰噪声，再经过放大电路进行入A/D转换器，对传感器信号进行过采样，再通过SINC滤波器，对过采样的数据进行抽取并滤波，对滤波后的信号应用DSP进行混频运算，解算出两路同频信号的相位差。要提高科里奥利质量流量计的测量精度，关键是要通过提高对传感器输出信号的相位差的测量精度来实现。采用混频法检测传感器信号的相位差，提高了测量精度与计算速度，可达到理想的郊果。将两路传感器的输出信号表示如下

上述公式中A为传感器输出信号的幅值，ω为信号频率，φ为信号的相位差，ε为高倍频干扰信号或噪声。

对信号进行调理、采样，用一本振信号

与x1、x2进行混频处理并滤波后，得到

解算出φ值，即相位差。由相位差信息、捕获的传感器振动频率及介质温度，可计算出介质的瞬时流量、密度及总量等数据。

图1 混频算法的信号处理框图Fig.1 Block diagram of mixing algorithm

采用混频算法计算两路同频信号的相位差，需要实时跟踪信号的频率，当信号频率与传感器的瞬时频率有误差时，通过频率对相位进行修正，从而可以进一步提高相位差的检测精度。

2 混频算法的应用

基于混频算法的科氏质量流量计测量方法，首先对科氏质量流量计传感器的两路输出信号，经过调理后，由双路同步AD转换器进行采样，传送数据到数字信号处理器DSP，由DSP对采样数据归一化后，进行混频处理，即对传感器的非线性时变信号，通过与一本振信号混合，在时域中进行变频运算，得到所需的频率信号，再经过滤波，最终计算出传感器信号的相位差信息。同时，对其中一路信号进行过零比较，由DSP的捕获单元捕捉其振动频率，从而得到科氏质量流量计振管的振动频率。由振动频率与相位差信息，计算出流过振管的流体介质的质量流量与密度。同时根据流体介质的温度，对流体的质量流量与密度进行温度补偿，得到实际的质量流量与密度值。基于混频算法的科式质量流量计变送器原理框图如图2所示。

图2 混频算法的变送器原理框图Fig.2 Block diagram of transm itter base on m ixing algorithm

3 标定结果

运用混频算法对科氏质量流量计两路传感器信号进行数字处理，最终解算出流体的质量流量。基于该原理的数字质量流量变送器样机在公司标定站配标不同型号的质量流量传感器进行标定，标定结果见表1。

表1 流量计测试记录1Table 1 Flow meter test record 1

表1中的数据为数字变送器与太航DN50传感器连接进行标定所得，该型传感器振动频率为70Hz左右。从表1中可以看出，其标定结果的误差范围小于 ± 0.1%，重复性±0.05%，标定量程比达到30:1。

表2 流量计测试记录2Table 2 Flow meter test record 2

表2中的数据为数字变送器与太航DN25传感器连接进行标定所得，该型传感器振动频率为80Hz左右。从表2中可以看出，其标定结果的误差范围小于 ± 0.1%，重复性在 ± 0.05%以内，标定量程比为15:1。

从以上两组标定数据可以看出，基于混频算法的质量流量数字变送器，与模拟变送器相比，提高了测量精度及计算速度，扩大了量程比，对质量流量计的实际应用具有重要意义。

4 结论

基于科里奥利原理的质量流量计，其传感器的相位差测量方法国内外有许多种[4][5]，本文将混频算法的相位差测量方法应用在质量流量变送器上，该算法滤掉了信号中的低频干扰、高次谐波及噪声，对于提高仪表的测量精度，扩大量程比，抑制噪声等都有很大的优势。变送器样机连接不同口径、不同频率的传感器进行了实际标定，标定结果达到了最初的设计要求。扩大量程比拓宽了质量流量计的应用范围，在实际应用中具有重要的作用。

[1]恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司.科里奥利质量流量计的测量和运行电路{P}.中国专利：ZL 01815586.3,2005-8-10

[2]微动公司.用于科里奥利质量流量计测量的自适应线性增强方法和装置{P}.中国专利：ZL 96195446.9,2003-4-2

[3]田桂平,万钧力,陈艳涛.基于矢量内积法的高精度数字相位差计[J].电测与仪表,2004,(10)：16-18.

[4]李泽光.基于正交双通道算法的相位差测量[J].仪器与仪表,2004,(2)：21-22.

[5]飞思科技产品研发中心.辅助信号处理技术与应用[M].北京：电子工业出版社,2005：147-150.