格型陷波器和DTFT科氏流量计信号处理方法

　　科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)可以直接测量质量流量,其工作原理是基于流体振动原理,目前发展比较迅速。科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成,一次仪表包括U型测量管、传感器和激振器等(见图1)。二次仪表是对一次仪表输出信号进行处理的变送器。科氏流量计通过激振器激振U型管,产生振荡信号,当流体通过振动管时,U型管发生扭曲(科里奥利原理),扭曲角度通过计算U型管前后两端相位差得到。由相位差和信号频率可求出时间差,从而进一步得到质量流量。

　　为提高测量精度和抗噪能力,国内外的相关研究机构和公司纷纷将各种数字信号处理方法应用于科氏流量计的二次仪表[1-5]。这些研究均是以频率、幅度和相位不随时间变化的信号模型作为研究对象,而实际的科氏流量计信号由于受到管内流体的流速、密度和流体脉动等因素变化的影响[6-7],这些特征是随时间变化的。为了更为真实地描述科氏流量计信号的实际特性,以频率、幅度和相位均按随机游动模型(Ran-dom Walk Model)变化的信号模拟科氏流量计信号[8-9],提出了一种信号处理方法。整个方法分为率跟踪和相位差计算2个阶段。在频率跟踪阶段,采用自适应格型陷波器对频率、幅度和相位均按随机游动模型变化的科氏流量计信号进行滤波,得到频率及增强信号;在相位差和时间差计算阶段,通过短窗截取,采用计及负频率影响的DTFT法计算2路信号的相位差和时间差。最后进行仿真分析,证实其有效性。

　　1　时变信号模型

　　文献[8-9]中按式(1)所描述的模型来模拟真实的科氏流量计信号:

式中e(n)是零均值,方差为1的白噪声。幅值A(n)、归一化频率ω(n)和相位φ(n)按照随机游动模型变化,即

　　2　基于格型陷波器和DTFT的信号处理方法

　　2.1　频率跟踪

　　针对科氏流量计信号的特点,笔者采用基于自适应格型陷波滤波的方法来实现频率跟踪。格型陷波器是由文献[10-11]提出的,由2个格型滤波器级联而成,如图2所示。其传递函数为

式(5)中:k0称为权系数,用于计算信号频率;ρ称为去偏置参数,决定滤波器的陷阱带宽。

其中,λ为遗忘因子。为了保证陷波器的稳定,k0的值必须位于[-1,1]之间,因此在算法中加入如下检测环节

　　2.2　相位差及时间差的计算

　　文献[8-9]采用具有重叠矩形窗的滑动Goertzel算法来实现相位差和时间差的计算。重叠矩形窗引入冗余计算,其主要目的是为了保证算法的收敛,但是,计算量明显增大,不利于算法的工业实现。为此,笔者提出了另一种可行性算法:计及负频率影响的DTFT法。