基于FFT和闭环采样控制的科氏质量流量计信号处理系统

　　科里奥利质量流量计( Coriolis Mass Flowmeter，以下简称为科氏质量流量计，即CMF) 是一种利用被测流体在振动测量管内产生与质量流量成正比的科氏力为原理制成的一种直接式质量流量仪表[1]。

　　CMF 能直接敏感被测流体的质量流量，同时可以检测流体的密度、体积流量，是一种应用广泛的新型多功能流量测量仪表[2]。

　　图1 为典型的双U 型管CMF，其振动测量管工作在谐振状态，流体在管中沿箭头方向流动。由于科氏效应( Coriolis Effect) 的作用，U 型管产生关于中心对称轴的一阶扭转“副振动”。该一阶扭转“副振动”相当于U 型管自身的二阶弯曲振动。同时，该“副振动”与所流过的质量流量( kg /s) 直接相关。

　　因此，通过检测U 型管的“合成振动”在B，B' 两点的相位差就可以得到流体的质量流量[3]。因此，科氏质量流量计信号解算归根到底是两同频率正弦信号相位差的解算。

　　传统的CMF 的信号处理方式大多为采用模拟电路对两路拾振信号进行滤波和过零点检测的方法，对CMF 传感器输出的两路正弦信号进行整形鉴相和高频脉冲计数的方法获得两路信号的相位差和频率[4]。

　　但该方法需要大量使用模拟器件，噪声和干扰对测量的影响较大，并且在相位差较小时，受计数时钟精度的影响，测得相位差精度相对较低。北京航空航天大学郑德智利用数字式的相位差检测原理，采用DSP对采样后的信号进行时域分析，并采用曲线拟合的方法寻找曲线过零点，进而算出零点间的时间差和相位差。该方法对于传统的双U 型管CMF 精度较高，但对于新型的直管型和类直管型CMF，由于其满量程相位差微小，且工作频率较高，时间差很小，该方法已难以满足使用要求[5]。合肥工业大学徐科军参考国外的专利采用可变的采样频率进行采样，利用DSP 作为二次仪表的处理核心。针对非整周期采样时的频谱泄露，采用粗测，细测和频率跟踪的思路[6]。但是该方法仅能测量出跟踪过程始末的频率变化量，对于其中的变化过程无法检测。并且由于在解算过程中是以解算结果作为控制采样率的依据，使得算法的实时性较差。在跟踪频率时，要不断变化采样频率进行采样计算，再比较功率谱值的大小，以确定实现整周期采样的频率，其时间长达10 s 以上，无法满足仪表在使用上的实时性要求[7]。

　　1 相位差解算原理

　　本系统算法的核心是利用快速傅里叶变换( FFT) 算法计算离散后的两路CMF 信号的相位差。将CMF 的输出信号理想化抽象为：