专利名称：基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法
技术领域：
本发明涉及科氏质量流量计信号处理装置及方法，具体是一种基于同步调制的科 氏质量流量计数字信号处理装置及方法。
背景技术：
科氏质量流量计(科里奥利质量流量计的简称)根据科里奥利原理可直接测量流 体的质量流量；其工作原理如下当有流体流过科氏质量流量计的测量管时，测量管入口 侧传感器产生的正弦波信号相位发生滞后，而出口侧传感器产生的正弦波信号相位发生超 前，在测量管的振动频率一定的情况下，上述两路正弦波信号相位差正比于流过测量管的 流体的质量流量，由于测量管的振动频率随流体密度的变化而变化，故流体的质量流量正 比于相位差与振动频率之比，即正比于两路正弦波信号的时间差；因此，能否精确测量流体 的质量流量，关键在于能否精确地实时测量测量管入口侧传感器与出口侧传感器的相位差 及其振动频率。现有科氏质量流量计信号处理装置及方法中，中国专利CN1214236C公开了 使用数字信号处理器(DSP)对振动传感器两路信号的差分信号和其中一路传感器信号进 行测量，从而求得流体的质量流量；中国专利CN1104631C公开了使用自适应线性增强技术 (ALE)和Goertzel滤波，并进行计算调整补偿在固定采样频率与振动流管的可变频之间的 频谱遗漏；中国专利CN1194210C公开了采用多抽一滤波器、自适应漏斗型滤波器(AFF)和 滑动Goertzel算法(SGA)处理采样数据，从而得到流体的质量流量；现有科氏质量流量计 信号处理装置及方法普遍存在解算精度不高、以及成本较高的问题，为此有必要发明一种 具有高解算精度，且成本较低的新型科氏质量流量计信号处理装置及方法。
发明内容
本发明为了解决现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成 本较高的问题，提供了一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法。本发明是采用如下技术方案实现的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处 理装置，包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器 (DSP)、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端 相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连，数字信号处理 器(DSP)的输入端与双路同步模数转换器的输出端相连；过零比较电路的输入端和输出端 分别连接其中一路信号调理电路的输出端和数字信号处理器(DSP)的输入端。所述双路 同步模数转换器、数字信号处理器(DSP)均为现有公知产品，可由市面购得；所述安全栅电 路、信号调理电路、过零比较电路均为现有公知结构。工作时，两路安全栅电路的输入端分别连接科氏质量流量计的测量管上的入口侧传感器和出口侧传感器，流体流过科氏质量流量计的测量管，两路传感器分别产生两路正 弦波信号，正弦波信号首先进入两路安全栅电路，对信号进行防爆隔离，再进入两路信号调 理电路，由两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；由其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零 比较电路，进行过零比较；而后由两路信号调理电路输出的两路正弦波信号进入双路同步 模数转换器，双路同步模数转换器对两路正弦波信号进行模数转换，转换后的两路正弦波 信号进入数字信号处理器；过零比较后的正弦波信号亦进入数字信号处理器，数字信号处 理器由此解算出流过测量管的流体的质量流量。进一步地，还包括温度检测电路和一路安全栅电路，其中，温度检测电路的输入端 与安全栅电路的输出端相连，温度检测电路的输出端与数字信号处理器的输入端相连；所 述温度检测电路为现有公知结构；工作时，温度检测电路的输入端通过安全栅电路连接测 量管上的温度传感器，负责对测量管的流体温度进行实时检测，数字信号处理器的计算单 元根据检测到的流体温度对流体的质量流量计算进行温度补偿。基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法(所述方法在本发明所述的 基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置中完成)，该方法是采用如下步骤实现 的(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安全栅电路，对信号进 行防爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的 高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入 过零比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信号调理电路输出的两 路正弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样；(5)数字 信号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤波；(6)数字信号处理 器对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后 的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声；(8)数字信号处理器 的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的捕获单元对过零比较 后的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据两路正弦波信号的相 位差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过测量管的流体的质量 流量；(11)数字信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进行测量，通过测得的 温度对流体的质量流量解算进行温度补偿。与现有科氏质量流量计信号处理装置相比，本发明所述的基于同步调制的科氏质 量流量计数字信号处理装置采用了双路同步模数转换器对两路正弦波信号进行模数转换， 消除了两路正弦波信号由于采样非完全同步造成的误差，因而使得解算精度更高，并简化 了装置本身的硬件电路设计，从而降低了装置的制造和使用成本；与现有科氏质量流量计 信号处理方法相比，本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法具有 更高的解算精度。本发明有效解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及 成本较高的问题，广泛适用于各个领域的流体的质量流量测量。
图1是本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置的结构 示意图。图2是本发明所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法的信号处理框图。图3是本发明中加Hamming窗的FIR数字滤波器的幅频性曲线图。
具体实施例方式基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置，包括两路安全栅电路、两路 信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器、过零比较电路；其中，两路安全栅电 路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路 同步模数转换器的输入端相连，数字信号处理器的输入端与双路同步模数转换器的输出端 相连；过零比较电路的输入端和输出端分别连接其中一路信号调理电路的输出端和数字信 号处理器的输入端；还包括温度检测电路和一路安全栅电路，其中，温度检测电路的输入端 与安全栅电路的输出端相连，温度检测电路的输出端与数字信号处理器的输入端相连。基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法，该方法是采用如下步骤实现 的(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安全栅电路，对信号进行防 爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大处理，滤除信号中的高频 分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输出的正弦波信号进入过零 比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信号调理电路输出的两路正 弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样；(5)数字信 号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤波；(6)数字信号处理器 对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的 正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声；(8)数字信号处理器的 计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的捕获单元对过零比较后 的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据两路正弦波信号的相位 差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过测量管的流体的质量流 量；(11)数字信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进行测量，通过测得的温 度对流体的质量流量解算进行温度补偿。具体实施时，所述步骤(1)中，两路传感器分别产生两路正弦波信号，传感器的振 动频率为30-400Hz ；所述步骤(4)中，数字信号处理器对两路正弦波信号进行过采样，数字信号处理 器采用固定采样频率；所述步骤(5)中，两路正弦波信号通过数字信号处理器的信号抽取滤波器进行抽 取并滤波，其传递函数具体表示如下
1 I-Zm YH{z) = ^ -1^r
m)(上式中m为过采样倍数，η为信号抽取滤波器的阶数；信号抽取滤波器的阶数可 采用4阶，过采样倍数可选择8倍或16倍，信号抽取滤波器的零点位于50Hz，可对50Hz工 频干扰进行抑制。)所述步骤(6)中，数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制，两路正 弦波信号的数学表达式表示如下X1GO = Asin(Wld^1)+ε “k)
<formula>formula see original document page 6</formula>对其中一路正弦波信号X1 (k)进行调制如下<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>(上式中Α为正弦波信号的幅值，ω为正弦波信号的频率，k为采样时刻序号，T 为采样时间间隔，Φ为正弦波信号的相位，ε为信号上叠加的噪声)同理，对另一路正弦波信号X2 (k)进行调制；所述步骤(7)中，数字信号处理器的低通滤波器对同步调制后的正弦波信号进行 低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声，分别得到直流信号X' !>X' 2，由此求出 正弦波信号X1 (k)的幅值A与相位Φ i <formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>同理，可以求出另一路正弦波信号X2 (k)的幅值A与相位Φ2 ；低通滤波器采用加Hamming窗的FIR数字滤波器，其截止频率为0. 5Hz，阶数为20 阶，阻带衰减大于50dB，其幅频性曲线如图3所示；低通滤波器的滤波效果直接影响到正弦 波信号的幅值和相位的解算精度；所述步骤(8)中，数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差； 解算公式具体表示如下θ = Φ「Φ2(上式中，θ为两路正弦波信号的相位差，(^、(^2分 别为正弦波信号X1 (k)、X2GO的相位)；由上式可知，相位差θ与正弦波信号的幅值A无关。所述步骤(4)-步骤(8)的信号处理框图具体如图2所示。
权利要求
一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置，其特征在于包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连，数字信号处理器的输入端与双路同步模数转换器的输出端相连；过零比较电路的输入端和输出端分别连接其中一路信号调理电路的输出端和数字信号处理器的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置，其特征 在于还包括温度检测电路和一路安全栅电路，其中，温度检测电路的输入端与安全栅电路 的输出端相连，温度检测电路的输出端与数字信号处理器的输入端相连。
3.一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理方法，所述方法在如权利要求 1-2中所述的基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置中完成，其特征在于该 方法是采用如下步骤实现的(1)由两路传感器分别产生的两路正弦波信号先进入两路安 全栅电路，对信号进行防爆隔离；(2)两路信号调理电路对两路正弦波信号进行滤波、放大 处理，滤除信号中的高频分量及尖峰噪声，提高信号的信噪比；其中一路信号调理电路输 出的正弦波信号进入过零比较电路，进行过零比较；(3)双路同步模数转换器对由两路信 号调理电路输出的两路正弦波信号进行模数转换；(4)数字信号处理器对两路正弦波信号 进行过采样；(5)数字信号处理器的信号抽取滤波器对过采样的正弦波信号进行抽取并滤 波；(6)数字信号处理器对滤波后的正弦波信号进行同步调制；(7)数字信号处理器的低通 滤波器对同步调制后的正弦波信号进行低通滤波，滤除正弦波信号中的高频分量及噪声； (8)数字信号处理器的计算单元解算出两路正弦波信号的相位差；(9)数字信号处理器的 捕获单元对过零比较后的正弦波信号进行频率捕获，计算出测量管的振动频率；(10)根据 两路正弦波信号的相位差以及测量管的振动频率，数字信号处理器的计算单元解算出流过 测量管的流体的质量流量；(11)数字信号处理器的A/D转换单元对测量管中流体的温度进 行测量，通过测得的温度对流体的质量流量解算进行温度补偿。
全文摘要
本发明涉及科氏质量流量计信号处理装置及方法，具体是一种基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置及方法。解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题。基于同步调制的科氏质量流量计数字信号处理装置包括两路安全栅电路、两路信号调理电路、双路同步模数转换器、数字信号处理器、过零比较电路；其中，两路安全栅电路的输出端分别与两路信号调理电路的输入端相连，两路信号调理电路的输出端均与双路同步模数转换器的输入端相连。本发明有效解决了现有科氏质量流量计信号处理装置及方法解算精度不高、以及成本较高的问题，广泛适用于各个领域的流体的质量流量测量。
文档编号G01F1/84GK101832803SQ201010138888
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者任东顺, 刘艇, 王慧炯, 苏刚琴, 郭海文, 马文生 申请人:太原太航流量工程有限公司