一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法
【专利摘要】本发明提供一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，用于检测第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差，首先处理这两路信号，使得两信号的幅值和频率相同；该两路信号进行加运算，得到第三正弦波信号并对该信号处理；第一正弦波信号和第二正弦波信号分别与第三正弦波信号进行乘运算，分别得到两路变频正弦波信号；着两路变频正弦波信号进行减运算，得到基于第一正弦波信号和第二正弦波信号间相位差的数学函数。本发明通过精确检测传感器相位差，从而最大限度提高测量精度和准确度，其测量精度可以达到ns级。
【专利说明】一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，适用于基于科里奥利质量流量计的信号检测和提取。
【背景技术】
[0002]科里奥利质量流量计通常都由两部分组成:传感器和变送器。现在市面上应用的质量流量计都由两根平行的振管组成，传感器振管可以做成不同结构，如U型结构、T型结构、S型结构、微弯型、直管型等，不同结构的传感器有各自的优缺点，适合不同的应用场合。在传感器振管中间部位安装有一组由磁铁和线圈组成的驱动组件，该驱动组件源源不断提供能量，让两根振管不停的在固有频率点上做自由振动，该组件叫激振部件；在平行振管的进、出口两侧固定有两个由磁铁和线圈组成的电磁组件，该组件随着振管的振动而振动，同时把机械振动转换成电信号，供后续电路处理，这部分电路叫拾振电路。这就是传感器产生的最原始的正弦波信号，以后所有的信号处理都是针对该信号进行。
[0003]正常情况下，当传感器振管内流体静止不动时，两路拾振信号为频率与振幅完全一致的正弦波，该两个正弦波信号相位差为零。当振管内介质有流动时，两个正弦波信号存在一定的相位差，流量越大，相位差也越大。质量流量的大小与两路正弦波信号的相位差成正比关系。准确检测出该相位差，就能计算出此刻管道内流体的质量流量等参数，质量流量计的工作原理都基于此。
[0004]传统的过零检测测量法对相位差的检测精度有限，使流量计的测量精度受限。要想从根本上提高流量计的测量精度，必须找到一种新型检测和信号提取方法。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，以解决现有技术中对相位差的检测精度有限的问题。
[0006]本发明实施例公开了一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，用于检测第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差，所述检测方法包括:
处理所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号，以使所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的幅值和频率相同；
所述经过处理的第一正弦波信号和第二正弦波信号进行加运算，得到第三正弦波信号，处理所述第三正弦波信号以使所述第三正弦波信号与所述第一及所述第二正弦波信号的幅值和频率相同；
所述第一正弦波信号和所述第三正弦波信号进行乘运算，得到第一变频正弦波信号；所述第二正弦波信号和所述第三正弦波信号进行乘运算，得到第二变频正弦波信号；以及所述第一变频正弦波信号和所述第二变频正弦波信号进行减运算，得到基于所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号间相位差的数学函数，并基于所述数学函数得到所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号间的相位差。
[0007]根据上述方案，在第一种可能的实现方式中，处理所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的步骤中，所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号先经放大滤波，再进行标准化双平衡处理。
[0008]根据上述方案的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述标准化双平衡处理过程包括:
所述第一正弦波信号在其信号处理通道中的第一预设标准电压值与所述第一正弦波信号波形电压的最大幅值进行除运算，得到第一波形调整系数；
所述第二正弦波信号在其信号处理通道中的第二预设标准电压值与所述第二正弦波信号波形电压的最大幅值进行除运算，得到第二波形调整系数；
根据所述第一波形调整系数和所述第二波形调整系数分别对所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号进行幅值调整，以使第一正弦波信号和第二正弦波信号的幅值相同。
[0009]根据上述方案，在第三种可能的实现方式中，所述第一正弦波信号、所述第二正弦波信号与所述第三正弦波信号采用乘法器进行乘运算。
[0010]根据上述方案，在第四种可能的实现方式中，所述第一变频正弦波信号和所述第二变频正弦波信号进行减运算之前采用微窄带滤波技术进行滤波处理。
[0011]本发明采用上述技术方案，可达到如下有益效果:
(1)本发明对初始正弦波信号进行标准化双平衡处理，保证了正弦波信号理想变频前有相同的幅值，可有效减小正弦波信号变换的误差；
(2)本发明中采用乘法器对正弦波信号进行变频时，在进行数学运算的同时，还对随机噪声、白噪声等有滤除功能；
(3)本发明采用微窄带滤波技术对变频信号进行处理，响应快，滤除变频时产生的谐波并去除随机噪声、白噪声和低频干扰，还可消除电源频率干扰以及IHz以上电的干扰；
(4)本发明所述的方法与频率无关，任何频率的传感器均适用，结果不变；
(5)本发明通过精确检测传感器相位差，从而最大限度提高测量精度和准确度，其测量精度可以达到ns级。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1为本发明较佳实施例的相位差检测方法流程图。
【具体实施方式】
[0014]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0015]如图1所示，其是本发明实施例的相位差检测方法流程图。本发明公开的自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，用于检测第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差，该检测方法包括如下步骤: 首先，处理第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub，以使第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub的幅值和频率相同。
[0016]本较佳实施例中，设定Ua=a(sin (wt+ Φ /2)), Ub=b (sin (wt- f /2)) =a(sin (wt- f /2)) + Δ (sin(wt- β /2))，式中，a为第一正弦波幅值，b为第二正弦波幅值，其中b=a+A，A为第一正弦波信号a和第二正弦波信号b之间的幅值差，w为角频率，t为时间，#为第一正弦波和第二正弦波之间的相位差。
[0017]该步骤中，第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub先经放大滤波，再进行标准化双平衡处理。其中，放大滤波过程即将这两路正弦波信号分别传送到其各自的信号处理通道A和B中，进行精密放大、滤波消噪处理，滤除低频干扰、高次谐波、白噪声等波形自带的无用信号，得到放大的、光滑的、真实的正弦波信号Ua和Ub ;将正弦波信号进行标准化双平衡处理包括如下过程:
第一正弦波信号Ua在其信号处理通道A中的第一预设标准电压值Uia与第一正弦波信号Ua波形电压的最大幅值进行除运算，得到第一波形调整系数；
第二正弦波信号Ub在其信号处理通道B中的第二预设标准电压值Uia与第二正弦波信号Ub波形电压的最大幅值进行除运算，得到第二波形调整系数；
根据该第一波形调整系数和该第二波形调整系数分别对所述第一正弦波信号Ua和所述第二正弦波信号Ub进行幅值调整，以使第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub的幅值相同。
[0018]以上的标准化双平衡处理保证了正弦波信号理想变频前有相同的幅值，可有效减小信号变换误差。
[0019]其次，经过处理的第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub进行加运算，得到第三正弦波信号U。，处理第三正弦波信号U。以使第三正弦波信号U。与第一正弦波信号Ua及第二正弦波信号Ub的幅值和频率相同。
[0020]该步骤中，第三正弦波信号Ue=Ua+Ub=a(sin(wt+ β /2))+a (sin (wt- f /2)) +
Δ (sin (wt- f /2)) = (2a+ Δ) * (cos f /2) *coswt+ Δ (sin f /2)*sinwt。
[0021 ] 对第三正弦波信号Uc进行标准化处理，得到与第一正弦波信号Ua及第二正弦波信号Ub幅值和频率相同的信号，此时的第三正弦波信号U。可作为本地振荡信号使用。
[0022]此步骤中对U。信号进行标准化处理是为了保证信号运算前有相同的幅值和频率。至此，已有三个幅频值相等、相位不同的初始正弦波信号ua、Ub和U。。
[0023]再次，第一正弦波信号Ua和第三正弦波信号U。进行乘运算，得到第一变频正弦波信号Uac ;第二正弦波信号Ub和第三正弦波信号U。进行乘运算，得到第二变频正弦波信号Ubc。
[0024]该步骤中，采用乘法器进行乘运算。其中，Uae=Ua*Ue=k(sin f /2)*(cos f /2)
+ k (c o s 2 f /2) *sin2wt + k (sin f /2)*cos( f /2) cos2wt,Ubc=Ub*Uc=k(sin Φ /2) * (cos Φ
/2)+k (cos2 Φ /2)*sin2wt_k(sin Φ /2)*cos( Φ /2)cos2wt。
[0025]式中，k为常数。
[0026]该步骤中采用乘法器进行乘运算，在进行数学运算的同时，还对随机噪声、白噪声等有滤除功能。
[0027]最后，第一变频正弦波信号Ua。和第二变频正弦波信号Ub。进行减运算，得到基于第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub间相位差的数学函数，并基于该数学函数得到第一正弦波信号Ua和第二正弦波信号Ub间的相位差。
[0028]该步骤中，Uae-Ubc;=ksin # ,在相位角#〈2°的正常流量范围内，该数学函数与相位差成线性关系。
[0029]本步骤中，第一变频正弦波信号Uac和第二变频正弦波信号Ubc进行减运算之前先采用微窄带滤波技术进行滤波处理。采用微窄带滤波技术对信号进行处理，响应快，滤除变频时产生的谐波并去除随机噪声、白噪声和低频干扰，还可消除电源频率干扰以及IHz以上电的干扰，如开关电源、整流器和雷达等。
[0030]本发明采用两路信号完全对称的处理方法，在最后提取相位的数学运算中可抵消输入信号中的共模干扰信号及滤波器自身产生的相移；并通过精确检测传感器相位差，从而最大限度提高测量精度和准确度，其测量精度可以达到ns级。
[0031]本发明所述的检测方法与频率无关，任何频率的传感器均适用，结果不变。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种自适应科里奥利质量流量计相位差检测方法，用于检测第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差，其特征在于，所述检测方法包括: 处理所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号，以使所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的幅值和频率相同； 所述经过处理的第一正弦波信号和第二正弦波信号进行加运算，得到第三正弦波信号，处理所述第三正弦波信号以使所述第三正弦波信号与所述第一及所述第二正弦波信号的幅值和频率相同； 所述第一正弦波信号和所述第三正弦波信号进行乘运算，得到第一变频正弦波信号；所述第二正弦波信号和所述第三正弦波信号进行乘运算，得到第二变频正弦波信号；以及 所述第一变频正弦波信号和所述第二变频正弦波信号进行减运算，得到基于所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号间相位差的数学函数，并基于所述数学函数得到所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号间的相位差。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，处理所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的步骤中，所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号经放大滤波后进行标准化双平衡处理。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述标准化双平衡处理过程包括: 所述第一正弦波信号在其信号处理通道中的第一预设标准电压值与所述第一正弦波信号波形电压的最大幅值进行除运算，得到第一波形调整系数； 所述第二正弦波信号在其信号处理通道中的第二预设标准电压值与所述第二正弦波信号波形电压的最大幅值进行除运算，得到第二波形调整系数； 根据所述第一波形调整系数和所述第二波形调整系数分别对所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号进行幅值调整，以使第一正弦波信号和第二正弦波信号的幅值相同。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号与所述第三正弦波信号采用乘法器进行乘运算。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第一变频正弦波信号和所述第二变频正弦波信号进行减运算之前采用微窄带滤波技术进行滤波处理。
【文档编号】G01F1/84GK104132701SQ201410362986
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】郭海文, 马文生, 秘长青, 任东顺 申请人:太原太航科技有限公司