科氏流量计DSP算法及其仿真研究

　　科里奥利质量流量计可以直接高精度测量流体质量, 是当前发展最为迅速的流量计之一。科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成, 一次仪表包括: U型管, 直管, 激振器, 传感器等等, 它通过激振器激振U 型管, 产生振荡信号, 当流体通过振动管时, U 型管由于科氏力发生扭曲, 扭曲角度通过计算U 型管前后两端相角差得到。二次仪表的任务是对两个磁电式传感器的输出信号进行处理, 放大, 整形, 鉴相和计数。测量其相位大小。计算出的相位H再乘以相应的系数, 即可算出质量流量。

　　在初始化过程中, 对信号频率进行粗测和细测,以获得准确的信号频率, 实现整周期采样。在相位差测量阶段, 计算相位差。在频率跟踪阶段, 测量频率变化, 调整采样频率, 以便整周期采样, 为下一次相位差计算做准备。由于噪声影响, 我们在仿真中加入随机噪声。

　　1 测量初始化

　　在实际运用中, 由于振动管的振动频率受各种因素的影响, 使其偏离驱动频率, 所以振动频率实际是未知的。开机时系统首先对数字处理器及外设初始化, 检测测量管的振动频率。在初始化中, 为了保证测量精度, 减少测量时间, 将振动频率检测分为粗测和细测。

　　111 频率粗测

　　以较低的频率分辨率采样, 初步确定频率范围,科氏流量计测量管的振动频率一般在75~ 150 Hz 范围内。为满足采样定理, 在频率粗测中取采样频率f s = 320Hz, 采样点数取N = 64。所以, 采样频率分辨率f d 为

　　对采样点进行DFT 计算, 可以得到各次谐波的傅里叶系数及功率谱, 比较所有的功率谱值, 可以得到与最大功率谱值对应的最大谐波次数N max ( 以下简称最大谐波次数) 。则信号频率范围应为

　　112 传统频率细测

　　从而得到一系列落在( 5Nmax- 5) ~ ( 5Nmax+ 5) 频率范围内频谱, 比较这些频谱中的最大值, 用其中的最大值所对应的采样频率f smax 计算出频率f 02逼近真实值f 0。设采样频率以[ Step] = 011 Hz 为步长变化,则信号频率测量值的变化步长为:

　　且由于非整周期采样, 进行64 点采样得到的数据将受频谱泄漏和初相变化影响。为了减少运算次数,提高精度, 我们提出另一种可行性算法: 线性调频Z变换算法。

　　2 线性调频Z 变换算法( CZT) 在频率细测中的应用

　　实际上我们只对粗测后的一小段频段感兴趣,希望在该窄带频段内频率的抽样能够非常密集, 提高分辨率, 带外则不予考虑。运用该算法, 我们增加了采样点数, 但寻找最大谱值的工作一次就能完成。