专利名称：一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置及方法。
背景技术：
利用科里奥利(Coriolics)原理由振动的测量管对流经管内的流体的质量流 量和密度进行测量的装置成为科里奥利质量流量计，在授予J.E.Smith等人的美 国专利US-4109524(1978年08月29日)、US-4491025 (1985年01月01日)和 Re.31450(1982年02月11日)中已公开有关这种流量计的基本原理和方法，其关 键在于精确地测量振动的频率和两路信号的相位差(或时间差)，虽然可以用硬 件电路实现这样的功能，但由于各种技术上的原因用硬件电路实现的功能是有 限的。
当前对于频率和相位差的信号处理有以下几种方法。
授予Romano的美国专利US-49341% (19卯年06月19日)釆用了可变的 采样频率，使得进行离散时间傅立叶变换(DTFT)的数据块包含整数个振动周 期，从而避免非整数截断所造成的频谱泄露，但它增加了硬件电路的复杂性， 并且由于需要实时改变采样频率，实时性就比较差，并且如果跟踪算法的精度 出现误差，将会导致整个测量精度出现较大程度的偏差。
授予德国恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司的克里斯琴 马特的中国专利 CN-1455859A (2001年09月05日)采用了硬件与软件相结合的方式，由DSP 控制进入差动放大器的两路信号的比例，使得差分信号与参考信号正交，从而由差动信号和参考信号解算相位差。
授予美国专利USP 580474中提出用数字锁相环来计算科氏流量计的传感器 两路输出信号之间的相位差的方法。该方法具有频率跟踪、相位差计算的实时 性好、频率跟踪对随机噪声、固定频率干扰均有较强的抑制作用及相位差计算 对固定频率千扰的抑制也比较强；但与ALE方法相比，该方法抑制随机噪声的 能力较弱，所需釆样点数较多，采用固定采样频率时误差较大，这就限制了其 在科里奥利质量流量计中的应用。
授予美国微动公司H，V德比、T.波西和S.拉雅的中国专利CN-1190461A(1998 年08月12日)采用了基于自适应线性增强(ALE)的自适应线波滤波器(ANF) 抑制各种干扰并求得信号的基频，再由Goertzd算法计算信号在基频上的单频 点傅立叶系数。而授予合肥工业大学徐科军和徐文福的中国专利CN-1467485A 对此方法作了改进用自适应漏斗型滤波器(AFF)代替ANF，能兼顾频率跟 踪能力和跟踪精度；用滑动Goertzd算法(SGA)代替传统的Goertzel算法，适 合时变正弦信号并能用不到一个周期的信号计算傅立叶系数。这种方法能够保 证变送器在较高的精度要求下跟踪上频率的变化，提高信号的信噪比，我们就 是在参考其思路的前提下，提出小波降噪与自适应滤波结合来更好的滤除噪声， 提高流量计的性能指标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算 装置及方法，以数字信号处理器为核心采用小波降噪和自适应陷波滤波相结合， 以降低噪声、增强信号、跟踪和测量信号频率，拓宽流量计测量的应用范围； 采用互相关法，以测量两路信号的相位差。为达到上述目的，本发明采取的技术方案
本发明包括科里奥利质量流量计本体含有振动的测量管、设置在测量管上的 两路振动传感器及其信号调理电路、模/数转换器、控制器、flash、液晶显示器，
振动传感器感应所说测量管的振动并将其转换成速度电信号，电信号经所说的 信号调理电路和所说的模/数转换器变换成数字信号，速度信号送入所说的数字 信号处理器，速度信号在所说的数字信号处理其中由所说软件算法解算出振动 频率和两路信号的相位差，由此得到所测量流体的质量流量和密度，其特殊之
处在于还包括设置在测量管上的温度传感器、数字信号处理器，温度传感器 感应流体温度并将其转换成温度电信号，电信号经信号调理电路和模/数转换器 变换成数字信号，数字信号送入数字信号处理器进行处理，对所测量流体的质 量流量和密度进行补偿。
上述的数字滤波器采用基于格型IIR陷波器的自适应滤波器，其由两级滤波 器级联而成。
基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算的方法为所述的数字信号送 入数字信号处理器依次经过小波降噪、数字滤波器进行处理，处理后的数字信 号进行互相关法相位差计算，数据送入数字信号处理解算装置，由此得出所测 量流体的质量流量和密度。
上述的小波降噪包括以下步骤
a、 小波分解，选择小波和分解的最高层次N，计算信号在第N层的小波系
数；
b、 设定各层细节的阀值，对第1层到第N层的各层，选择阀值，对各层细 节的小波系数用阀值化方法进行处理；c、重构信号，对于小波，利用第N层的近似部分小波系数和从第1层到第 N层经过处理的个细节小波系数重构信号。 本发明的有益效果
本发明采用自适应陷波滤波器能够在信噪比较高的环境下有效地滤除噪声， 使科里奥利质量流量计的测量精度、复现性以及零点稳定性得到提高；但由于 科氏流量计是基于流体振动原理工作，因而噪声影响严重，噪声的带宽较大， 其中50HZ的工频干扰及其谐波的影响尤其严重，同时我们也不能完全消除工业 现场的一些工业噪声的频率落在有用信号的频段之间。在这种信噪比较低的情 况下，自适应算法容易发散而导致滤波器的失效，因此本发明在滤波器前引入 小波降噪使科里奥利质量流量计在弱信号检测中依然具有良好的性能，小波降 噪的加入对自适应陷波器的收敛速率没有影响，反而由于小波降噪后信噪比的 提高而使自适应陷波器的收敛精度有了较大的改善。从而拓宽了科里奥利质量 流量计测量的量程，同时提高了流量计零点标定的精度，提高了的测量精度。 而加入了温度传感器对得出的流体的质量流量和密度进行补偿，确保了数据的 精确性。
图l是本发明的系统框图2是格型IIR陷波器的自适应滤波器结构图； 图3是自适应陷波滤波器频率估计相对误差； 图4是滤波后信号时域图5是启发式阀值原则下7dB时消噪后时域图； 图6是启发式阀值原则下7dB时消噪后频谱图；图7是启发式阀值原则下-3dB时消噪后时域图8是启发式阀值原则下-3dB时消噪后频谱图9是一级抽取后含噪信号时频图IO是一级抽取后含噪信号频谱图11是小波降噪后信号时频图12是小波降噪后信号频谱图13是自适应陷波器的归一化频率收敛曲线图14是自适应陷波器的频率计算相对误差图15是自适应陷波滤波后信号时频图16是自适应陷波滤波后信号时频图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明所述的装置包括科里奥利质量流量计本体含有振动的测量管、设置在 测量管上的两路振动传感器和温度传感器及其信号调理电路、模/数转换器、控
制器、flash、液晶显示器、数字信号处理器及其中的软件算法，振动传感器感
应所说测量管的振动并将其转换成速度电信号，温度传感器感应流体温度并将 其转换成温度电信号，电信号经信号调理电路和模/数转换器变换成数字信号， 速度信号送入所说的数字信号处理器，速度信号在所说的数字信号处理其中由 所说软件算法解算出振动频率和两路信号的相位差，由此得到所测量流体的质 量流量和密度，控制器对所说的温度信号进行采样，将采样后的数据传输给所 说的数字信号处理器进行处理，对所测量流体的质量流量和密度进行补偿。
基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算的方法为数字信号送入数字信号处理器依次经过小波降噪、数字滤波器进行处理，处理后的数字信号进行 互相关法相位差计算，数据送入数字信号处理解算装置，由此得出所测量流体 的质量流量和密度。
小波降噪包括以下步骤
1、 小波分解，选择小波和分解的最高层次N，计算信号在第N层的小波系
水/一
数；
2、 设定各层细节的阀值，对第1层到第N层的各层，选择阀值，对各层细 节的小波系数用阀值化方法进行处理；
3、 重构信号，对于小波，利用第N层的近似部分小波系数和从第1层到第 N层经过处理的个细节小波系数重构信号。
参见图2，本发明的数字滤波器采用基于格型IIR陷波器的自适应滤波器， 其由两级滤波器级联而成。 此滤波器的传递函数为
格型IIR陷波器的自适应滤波器有不同的实现方法，本发明采用的是Burg 算法实现的，Burg算法建立在数学基础上的AR系数求解的有效算法，令前后 向预测误差之和为最小，使得该算法有着较好的分辨率，其实现自适应调整的
具体过程如下
/ (w) = 0,998 - 0.195 x 0.99("-" ,=1-0.05x0.99("-"
= -《0 (m _ l)[l + -1) - /9(m)J(w - 2)
= -1) + 2[1 - (" -1)
C(w) = ;t(")C(" -1) + [1 - /L(")k(" - l肿)+ - 2)]
= -C(")/D(") (1)其中，^为遗忘因子。为保证滤波器稳定，&必须在[-1,1]，因此在算法中加入 如下检测环节，以确保算法稳定。
1 1 -1 &(")<-1
(2)
式(3)相当于一个低通滤波器，对得到的"w进行平滑处理，选取;^0-5。
格型IIR陷波器的输出
>>(")=■ (") + 2《0-1) + j(m - 2) (4 )
最后，^")-W")即为去除噪声后的增强信号，信号的频率估计则由下式计算 d)(") = arccos(-《。(w)) (5)
为检验其算法的效果，对其进行了仿真计算。其中相对误差的按式
— 《 w =-
(6) 进行计算，其仿真结果如图3、 4所示。
从图3中可以看出，算法在1500点处已经收敛，收敛速度较快，且在收敛之 后，频率估计的相对误差基本为一个定值；图4中给出了信号经过滤波之后的时 域图，从图4中可以看出，信号经过格型IIR陷波器的自适应滤波器之后，直到5000 点左右，信号的幅值才接近于真实值。
格型IIR陷波器的自适应滤波器能够在信噪比较高的环境下有效地滤除噪 声，使科里奥利质量流量计的测量精度、复现性以及零点稳定性得到提高；但 在信噪比较低的情况下，自适应算法容易发散而导致滤波器的失效，因此本发 明在滤波器前引入小波降噪使科里奥利质量流量计在弱信号检测中依然具有良
10好的性能。
本发明选用的是小波系数的绝对值和阔值进行比较的软阀值量化方法；阀值
原则采用启发式阀值原则，图5~图8给出了运用启发式阀值原则对信号的信噪 比为？必和-3必时的降噪效果。
小波降噪与自适应陷波滤波配合运用，如图9 12所示在时域图中可以看 出信号存在毛刺，但通过降噪后从信号时域图中可以看出，毛刺明显减少较降 噪前信号得到改善，如图13~14所示小波降噪的加入对自适应陷波器的收敛 速率没有影响，但是由于小波降噪后信噪比的提高而使自适应陷波器的收敛精 度有了较大的改善。
参见图15~16，信号经过格型IIR陷波器的自适应滤波器之后，噪声的滤波
效果较好，低频段与高频段的噪声均滤除掉了，从信号的频谱中可以看出，自 适应陷波之后的信号是一个较为纯净的正弦信号。
权利要求
1、一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置，包括科里奥利质量流量计本体含有振动的测量管、设置在测量管上的两路振动传感器及其信号调理电路、模/数转换器、控制器、flash、液晶显示器，振动传感器感应所说测量管的振动并将其转换成速度电信号，电信号经所说的信号调理电路和所说的模/数转换器变换成数字信号，速度信号送入所说的数字信号处理器，速度信号在所说的数字信号处理其中由所说软件算法解算出振动频率和两路信号的相位差，由此得到所测量流体的质量流量和密度，其特征在于还包括设置在测量管上的温度传感器、数字信号处理器，温度传感器感应流体温度并将其转换成温度电信号，电信号经信号调理电路和模/数转换器变换成数字信号，数字信号送入数字信号处理器进行处理，对所测量流体的质量流量和密度进行补偿。
2、 根据权利要求1所述的一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解 算装置，其特征在于所述的数字滤波器采用基于格型IIR陷波器的自适应滤波器，其由两级滤波器级联而成。
3、 根据权利要求1所述的一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置的方法，其特征在于所述的数字信号送入数字信号处理器依次经过小 波降噪、数字滤波器进行处理，处理后的数字信号进行互相关法相位差计算， 数据送入数字信号处理解算装置，由此得出所测量流体的质量流量和密度。
4、 根据权利要求3所述的一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置的方法，其特征在于所述的小波降噪包括以下步骤a、小波分解，选择小波和分解的最高层次N，计算信号在第N层的小波系数；b、 设定各层细节的阀值，对第1层到第N层的各层，选择阀值，对各层细 节的小波系数用阀值化方法进行处理；c、 重构信号，对于小波，利用第N层的近似部分小波系数和从第1层到第 N层经过处理的各细节小波系数重构信号。
全文摘要
本发明涉及一种基于小波降噪的科里奥利质量流量计数字解算装置及方法。科里奥利质量流量计的关键在于精确地测量振动的频率和两路信号的相位差(或时间差)，虽然可以用硬件电路实现这样的功能，但由于各种技术上的原因用硬件电路实现的功能是有限的。本发明的特征在于温度传感器感应流体温度并将其转换成温度电信号，电信号经信号调理电路和模/数转换器变换成数字信号，数字信号送入数字信号处理器进行处理，对所测量流体的质量流量和密度进行补偿。本发明拓宽了科里奥利质量流量计测量的量程，同时提高了流量计零点标定的精度，提高了测量精度。而加入了温度传感器对得出的流体的质量流量和密度进行补偿，确保了数据的精确性。
文档编号G01N9/00GK101556173SQ20091002260
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者任建新, 超 孙, 惠全民, 牛尔卓 申请人:西安东风机电有限公司