科里奥利质量流量计数字信号处理方法的研究

　　0　引言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)可以直接高精度地测量流体质量,它是由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表部分包括振动管、激振器和传感器等,工作时当流体流过振动管时,振动管由于激振器的激振,会受到科里奥利力的作用而使管子发生扭曲,其偏转角度由U型管两端传感器信号的相位差得到。二次仪表主要是对两个磁电传感器信号进行处理,测量其相位差的大小,由测得的相位差乘以相应的系数得到流体的质量流量。该算法利用自适应滤波器对频率进行估计,并利用此频率估计值结合常规Goertzel算法计算两路信号的相位差。但该算法的频率估计部分由于采用了自适应算法,使得测频过程时间过长,大约需要50个周期以上,大大降低了系统的实时性。为了提高算法的实时性,本文将线性调频Z变换算法应用于频率测和跟踪过程,并对专利中的算法加以改进,提出采用基于改进的谱线增强技术的滑动Goertzel算法测量信号的相位差。

　　1　频率测量

　　初始化测量阶段为了保证测量精度,提高计算的实时性,将频率的测量分为粗测和细测两个阶段[2]。

　　1.1　频率粗测阶段

　　科氏流量计信号的频率范围一般在75 ~150Hz,以较低的采样频率对信号采样,初步确定测量管振动频率范围。在仿真中取采样频率fs=600Hz,采样点数N=256,则分辨力为:fd=fs/N=2.3435Hz,对采样点做DFT计算得到功率谱最大值对应的序号Nmax,则粗测频率为:fc=Nmax·fd。由于非整周期采样时误差不超过频率分辨力的大小,可以确定实际信号频率fo所在区间[fc-fd,fc+fd]内,这样就将信号的频率锁定在宽度为2fd=4.687Hz的范围内[3]。

　　1.2　频率细测阶段

　　为了提高频率分辨力,我们对粗测后得到的频段密集采样,运用CZT算法对目标频段增加采样点数,对该频段进行局部放大。

　　已知x(n)是有限长序列,其Z变换为:

　　z的这些抽样点为zk=AW^-k;k=0,1,…,M-1。M为所要分析的复频谱的点数,A和W都是任意复数,将zk=AW^-k代入式(1)得:

　　采用布鲁斯坦等式:nk=1/2·[n²+k²-(k-n)²]

　　原式可改写为:

　　则有

　　在科里奥利质量流量计信号的实际情况中,采样频率fs=600Hz;采样点数N=256;M=N,对粗测得到的频带进行密集采样,此时频率分辨力为f′d=fd/M=0.0183Hz。利用CZT算法求出的信号在该频段内功率频谱最大值对应的序号为N′max,则细测得到的信号频率为:

　　仿真结果表明得到的初始化频率更接近实际频率,且不受初始相位影响[5]。表1是用线性调频Z变换作细测的仿真结果。