一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法技术

本发明专利技术提供了一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法，涉及数字信号处理领域，采用改进的分段相位差频率估计方法对科里奥利质量流量计输出信号进行解算，以得到与流体流量质量和密度相关的瞬时频率，本发明专利技术采用了数字信号处理方法估计CMF谐振频率，不受模拟电路时延和RLC参数影响，具有灵活、高速与高精度的优点，无需使用自适应线性增强信号等复杂算法，在处理数据的复杂度上相比于基于AFF和SGA的科氏质量流量计数字信号处理系统有明显改善，正确稳定跟踪到CMF输出频率精度达到99.999％。

A Coriolis mass flow meter with high precision frequency tracking and estimation method

The invention provides a high precision frequency tracking and estimation method of a Coriolis mass flowmeter, relates to the field of digital signal processing, using the improved phase estimation method of the output signal of Coriolis mass flowmeter is solved to obtain the frequency difference, and the fluid flow quantity and density dependence of the instantaneous frequency, the invention adopts digital signal processing method estimation of CMF resonant frequency, analog circuit delay and the RLC parameter is not affected by, flexible, high speed and high precision advantages, without the use of adaptive linear complex signal enhancement algorithm, the data in the complexity compared to the digital Coriolis mass flowmeter signal processing system based on AFF and SGA have obviously improved, right stable tracking to the CMF output frequency accuracy reached 99.999%.

【技术实现步骤摘要】
一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法
本专利技术涉及数字信号处理领域，尤其是科里奥利质量流量计的频率跟踪及估计方法。
技术介绍
科里奥利质量流量计(CoriolisMassFlowmeter，CMF)是一种基于谐振原理和科氏效应(流体在直线运动时产生与质量流量成正比的科里奥利力原理)，并能以极高的测量精度和可靠性实现精确测量流体流量质量的高端仪器仪表。目前，国内市场上销售的CMF大多采用模拟驱动方式和模拟信号处理方法，易受外界震动和流体流速不稳定的影响，使得工业现场测量质量流量精度低于实验时标定的精度。模拟电路驱动和处理方法是对来自CMF输出的两路频率相同、相位不同的正弦信号进行滤波和过零点检测，将其转换成两路方波信号，再利用方波信号的上升沿或下降沿来计数解算信号的频率。模拟驱动及信号处理的缺点在于驱动增益有限、频率跟踪缓慢，不能解决两相流、批料流发生时流量管固有频率及阻尼比剧烈变化情况下的流量管停振而无法跟踪到频率的问题。《面向时变的科里奥利质量流量计信号的处理方法研究与实现》公开了一种科里奥利质量流量计的信号处理方法，提出将多抽一滤波器、自适应格型陷波滤波器和负频率修正的滑动DTFT递推算法组合起来作为一套科里奥利流量计信号处理方法，该方法采用两级多抽一滤波器，同时采用30阶FIR低通滤波器，虽然能较好的保证线性相位特性，但是其数据运算量大、处理实时性不强，只能作为一种计算机仿真验证方法来研究，很难运用在存储容量有限的嵌入式数字信号处理器上。针对CMF输出两路信号的高精度频率算法估计和跟踪表述，该方法对于其采用的自适应格型陷波滤波器的参数描述模糊，虽然提到使用Burg算法进行自适应调整，却没有详细说明参数整定的具体方法。合肥工业大学徐科军等的中国专利“基于AFF和SGA的科氏质量流量计数字信号处理系统，CN1467485”采用自适应陷波器(AdaptiveFunnelShapedFilter，AFF)，以自适应线性增强信号、跟踪和测量信号频率，能兼顾频率跟踪能力及跟踪精度，但问题在于该方案是基于定点型DSP(DigitalSignalProcessor，DSP)开发的算法。参考德州仪器TMS320系列DSP数据手册以及文献《DSP基本体系结构和特点》可知，定点型DSP相比于浮点型DSP，定点DSP的字长每增加1bit，动态范围扩大6dB，在处理低信噪比信号的场合，需要对数据不断地移位定标或者截尾。但是频繁地移位定标要耗费大量的程序空间和执行时间，截尾处理则会使计算的精度劣化。32bit浮点运算DSP的动态范围可以达到1536dB，这不仅扩大了数据动态范围，还因为大大减少了定标，移位和溢出检查，从而提高了运算精度，可节省大量运算时间和存储空间。由于浮点DSP的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其处理速度远高于定点DSP，这一优点在实现高精度复杂算法时尤为突出，为复杂算法的实时处理提供了保证。西安东风机电有限公司的中国专利“一种基于谐波分解的科里奥利质量流量计数字信号解算装置及方法，CN1837758”提到其在DSP中采用特殊设计的梳状滤波器实现带通滤波来抑制直流和工频干扰，且其所述的滤波器可以覆盖其使用的CMF装置的全部工作频率。该专利采用FIR滤波器来实现其所述功能，且要求中心频率是固定的，若采用该专利所述方法实现CMF高精度频率估计，所要面对的问题在于解决其所述的覆盖所有CMF装置的全部工作频率，此算法设计复杂，虽然可以起到稳定滤波器特性的效果，但需要以付出大量的运算空间和运算时间为代价，其使用的最小二乘法对信号进行谐波分解，虽然不受非整周期截断的影响，但这种方法计算量大，实时跟踪频率的效果不佳。综上所述，对于高精度估计科里奥利质量流量计的输出信号频率，且保持实时跟踪，需要采用合适的频率估计跟踪算法，尽量优化算法流程，在充分发挥硬件性能的基础上，保证频率估计的精度和算法的快速收敛性，并且不增加算法的时间复杂度和空间复杂度。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术为提高科里奥利质量流量计输出信号频率估计的精度，保证跟踪频率的稳定性，提出采用改进的分段相位差频率估计方法对科里奥利质量流量计输出信号进行解算，以得到与流体流量质量和密度相关的瞬时频率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括下述步骤：步骤一、根据CMF一次仪表有效输出信号确定贝塞尔滤波器的通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减四个技术指标，将四个技术指标输入电路设计软件，得到用于科里奥利质量流量计二次仪表的滤波器电路图；步骤二、按照步骤一生成的滤波器电路图，在CMF二次仪表的模-数转换器(Analog-to-DigitalConverter，AD)前端搭建有源模拟贝塞尔低通滤波器；步骤三、用一个具有4通道同步采样同步转换功能的AD转换器将CMF一次仪表的输出信号转换为数字信号；步骤四、对于步骤三中AD转换器转换后输出的数字信号，用离散正弦信号x[n]表示：式(1)中A为信号幅度，ω0为信号数字角频率，φ为信号初始相位，n＝0,1,2…N-1，取x[n]的前N/2个点离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFT)，变换后的频域谱为X[k]，则其中k＝0，1，2…N/2-1，fs为信号采样频率，设kmax为离散信号快速傅里叶变换(FastFourierTransformation，FFT)处理后的峰值谱位置，式(2)中的表示为(kmax+δ)，则X[k]写为：则该正弦信号的频率ω0表示为如下形式：提取步骤三AD转换器转换的数字信号的4通道中的一路，截取一组长度为2N-1的输出数组，以标志位x[i]分成前后两个子段，即{x(n)，-N+1≤n≤i}与{x′(n)，i≤n≤N-1}，得到该同一路序列前后两子段的频偏估计：其中为前向FFT序列的峰值谱的相位谱，为后向FFT序列的峰值谱的相位谱；步骤五、使用解卷绕补偿2π角度使回归线性相位，综合(4)、(5)式得到：公式(6)中为信号的无偏估计频率。本专利技术的有益效果是采用了数字信号处理方法估计CMF谐振频率，不受模拟电路时延和RLC参数影响，具有灵活、高速与高精度的优点，本专利技术涉及的CMF高精度频率跟踪方法无需使用自适应线性增强信号等复杂算法，在处理数据的复杂度上相比于基于自适应漏斗形滤波器(AdaptiveFunnelShapedFilter，AFF)和滑动Goertzel算法(SlidingGoertzelAlgorithm，SGA)的科氏质量流量计数字信号处理系统有明显改善，正确稳定跟踪到CMF输出频率精度达到99.999％。附图说明图1是本专利技术涉及的科里奥利质量流量计高精度频率跟踪方法流程图。图2是本专利技术的低通滤波器的幅频特性曲线图。图3是本专利技术的低通滤波器的群延迟图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。如图1所示，本专利技术涉及的CMF高精度频率跟踪方法需要经过确定滤波器性能指标、设计滤波器、AD同步采集转换信号、解算CMF输出频率和补偿CMF输出频率精度等五大部分组成，其具体实施步骤如下：步骤一、根据CMF一次仪表有效输出信号确定贝塞尔滤波器的通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减四本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一、根据CMF一次仪表有效输出信号确定贝塞尔滤波器的通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减四个技术指标，将四个技术指标输入电路设计软件，得到用于科里奥利质量流量计二次仪表的滤波器电路图；步骤二、按照步骤一生成的滤波器电路图，在CMF二次仪表的模‑数转换器前端搭建有源模拟贝塞尔低通滤波器；步骤三、用一个具有4通道同步采样同步转换功能的AD转换器将CMF一次仪表的输出信号转换为数字信号；步骤四、对于步骤三中AD转换器转换后输出的数字信号，用离散正弦信号x[n]表示：

【技术特征摘要】
1.一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一、根据CMF一次仪表有效输出信号确定贝塞尔滤波器的通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减四个技术指标，将四个技术指标输入电路设计软件，得到用于科里奥利质量流量计二次仪表的滤波器电路图；步骤二、按照步骤一生成的滤波器电路图，在CMF二次仪表的模-数转换器前端搭建有源模拟贝塞尔低通滤波器；步骤三、用一个具有4通道同步采样同步转换功能的AD转换器将CMF一次仪表的输出信号转换为数字信号；步骤四、对于步骤三中AD转换器转换后输出的数字信号，用离散正弦信号x[n]表示：式(1)中A为信号幅度，ω0为信号数字角频率，φ为信号初始相位，n＝0,1,2…N-1，取x[n]的前N/2个点离散傅里叶变换，变换后的频域谱为X[k]，则

【专利技术属性】
技术研发人员：李京华，黄熠彬，司君国，杨昭杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61