基于AFF和SGA的科氏质量流量计数字信号处理系统技术方案

基于ＡＦＦ和ＳＧＡ的科氏质量流量计数字信号处理系统，由信号调理电路、模／数转换器（Ａ／Ｄ）、数字信号处理器（ＤＳＰ）、液晶显示（ＬＣＤ）电路、键盘输入电路、数／模转换器（Ｄ／Ａ）、功率放大电路以及软件组成。它采用多抽一滤波、自适应漏斗型滤波（ＡＦＦ）和滑动Ｇｏｅｒｔｚｅｌ算法（ＳＧＡ）处理采样数据，计算其流量管振动的基频和相位，由频率和两路信号的相位差求出两路信号的时间差，从而得到质量流量值和密度值；由ＤＳＰ计算得到的频率值产生驱动信号，送到Ｄ／Ａ，并经过功率放大，使流量管振动。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于确定科里奥利(简称科氏)质量流量传感器的基频和相位差一种方法和装置，特别是以数字信号处理器(Digital Signal Processor，缩写为DSP)为核心，采用自适应漏斗形滤波器(Adaptive Funnel Shaped Filter，缩写为AFF)，以自适应线性增强信号、跟踪和测量信号频率；采用滑动Goertzel算法(SlidingGoertzel Algorithm，缩写为SGA)，以测量两路信号的相位差。
技术介绍
科里奥利质量流量计(以下简称为科氏质量流量计)可以直接测量质量流量，是当前发展最为迅速的流量计之一，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计要求其信号处理电路精确地测量来自两个流量传感器信号的相位差，并跟踪其频率的变化。基于模拟和数字电路的科氏质量流量传感器的信号处理方式和系统存在一些局限。为此，人们将数字信号处理方法和DSP应用于科氏质量流量传感器的信号处理，目前有以下三种方案。(1)基于离散傅里叶变换的方法美国Micro Motion公司Paul Romano用离散傅里叶变换(DFT)处理科氏质量流量计的输出信号，用TMS系列的DSP作为二次仪表的处理核心(“Coriolicsmass flow rate meter having a substantially increased noise immunity”，US Patent No.4934196，Jun.19，1990)。当非整周期采样时，DFT的计算误差不能满足仪表精度的要求。为此，提出了粗测、细测和频率跟踪的思路。但是，对其中的一些关键技术没有披露。例如，当频率变化时，如何采集过零点，等。合肥工业大学参考其思路，研制了采用DFT的、基于ADSP系列的DSP的信号处理系统，解决了美国专利中没有说明的技术难点，并在细测和频率跟踪方面做了改进。此类方法存在的问题是(a)实时性较差。在频率跟踪时，要不断地变化采样频率进行采样和计算，再比较功率谱值的大小，以确定实现整周期采样的频率，其时间长达10秒以上；(b)当输入信号中含有噪声时，频率计算的精度很高，但是，相位差的精度受到影响。其原因在于计算相位差时要用到幅度，而DFT计算出的幅度受噪声影响大。(2)基于信号幅值的方法日本富士公司Yoshimura Hiroyuki对来自科里奥利质量流量计中两个传感器的信号进行放大，同时将这两个信号送入差动放大器，得到两个传感器的信号之差。多路转换器将这三个信号顺序送入模/数转换器，再送入DSP做DFT，计算出两个传感器信号的相位差，并从中选一个信号作为参考，去补偿各个传输通道特性差异所造成的误差(“Phase difference measuring apparatus for measuring phasedifference between input signals”，European patent application，EP0791807A2，27.08.1997；“Phase difference measuring apparatus and flowmeterthereof’，European patent application，EP 07022l2A2，20.03.1996)。此方法的问题是两个传感器信号的相位差很小(一般小于4度)，故差动放大器的幅值很小，极易受到噪声干扰；补偿方法耗时太多，因为计算一次相位差需要采集6路信号。(3)基于自适应线性增强的方法美国Micro Motion公司Howard V.Derby等人设计了一个基于DSP的数字信号处理系统，采用自适应线性增强(ALE)技术确定振动管的频率和两个信号之间的相位差，从而更精确地测量质量流量(“Method and apparatus for adaptive lineenhancement in Coriolis mass flow meter measurement”，US Patent No.5555190，Sep.10，1996；“用于科里奥利质量流量计测量的自适应线性增强方法和装置”，中国专利技术专利申请公开说明书，CN 1190461，1998年8月12日。由于这两项专利在内容上完全一样，下面简称为“Derby的专利”)。Derby的专利中有两个实施例，其信号处理环节都由三部分组成多抽一滤波、频率估计/线性增强和相位差(时间差)计算。多抽一滤波采用8:1和6:1两级抽取，相位差计算采用改进的Goertzel算法。频率估计/线性增强部分有所不同，第一个实施例的ALE是通过同时对两参数估计的自适应陷波滤波器(Adaptive Notch Filter，缩写为ANF)来实现的，该实施例采用的ANF与最小参数的ANF(Arye Nehoral，“a minimalparameter adaptive notch filter with constrained poles and zeros”，IEEE Transactionson Acoutics，Speech.and Signal Processing，Vol.ASSP-33，No.4，August 1985，pp.987-996)不完全相同，它放宽了对零极点对的限制，没有把零点半径固定为1，而是由算法自动调节，这样可以兼顾频率跟踪的精度和算法收敛速度(即频率跟踪的速度)。同样的，第二个实施例使用了四个自适应陷波滤波器，即在左信道和右信道分别串联两个陷波滤波器。分别设置在左信道和右信道的两个ANF是级联的，其中，第一个滤波器采用一个低Q值(宽陷波带)滤波器，以产生有限的信号增强，但是，能迅速收敛到振动流管基频的变化范围上，然后将从第一个级联ANF输出的信号传输到第二级联的ANF；第二级联的ANF采用一个高Q值(窄陷波带)滤波器以产生比以往的技术或者上述第一实施例中更强的抑制噪声和谐波的作用。Derby的专利也有局限。在第一实施例中，对两个参数进行估计，增加了算法的复杂性。在第二实施例中，采用两个级联的ANF，算法的复杂程度比第一实施例更高；而且，由于第二级的ANF是以第一级的ANF为基础的，只有在第一级收敛后第二级才会收敛，因此，对于频率变化较大的情况下，收敛速度反而降低。此外，采用的Goertzel算法计算相位差，用定点实现时有可能发生溢出(参见J.A.Beraldin and W.Steenaart，“Overflow analysis of a fixed-point implementationof the Goertzel algorithm，IEEE Trans.Circuits and Systems，Vol.36，No.2，February1989，pp.322-324)。因此，需要一种既能兼顾频率跟踪精度和算法收敛速度，又不明显增加算法复杂程度的信号处理方法，而且该方法用定点实现时不易溢出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决Derby的专利中存在的缺点，又不失去其优点，即设计了一种信号处理方法和装置，它既能兼顾频率跟踪精度和算法的收敛速度，又不明显增加算法的复杂程度，而且用定点实现时不易溢出。本专利技术为了实现专利技术目的，采用了如下技术方案。信号处理环节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＡＦＦ和ＳＧＡ的科氏质量流量计数字信号处理系统，由信号调理电路、模／数转换器（Ａ／Ｄ）、数字信号处理器（ＤＳＰ）、液晶显示（ＬＣＤ）电路、键盘输入电路、数／模转换器（Ｄ／Ａ）、功率放大电路以及软件组成；所述的流量计中的两个磁电式传感器将所感受到流量信号转换成电信号；所述的磁电式传感器输出的电信号经过所述的信号调理电路和Ａ／Ｄ送到ＤＳＰ；所述的ＤＳＰ处理采样数据，计算流量管振动基频处的频率和相位，由频率和两路信号的相位差求出两路信号的时间差，从而得到质量流量值和密度数值，供ＬＣＤ显示；由ＤＳＰ计算得到的频率值产生驱动信号，送到Ｄ／Ａ，并经过功率放大，送到电磁激振器的线圈，使流量管振动；其特征在于所述的ＤＳＰ采用自适应漏斗型滤波器（ＡＦＦ）对经过两级多抽一滤波后的采样信号进行频率估计和跟踪，能兼顾跟踪能力和跟踪精度两个方面，同时滤去混在正弦信号中的宽带噪声，输出增强信号；采用更易于定点实现的、且非常适合于时变正弦信号的滑动Ｇｏｅｒｔｚｅｌ算法（ＳＧＡ）计算增强信号的离散傅立叶系数，从而求出信号的相位差。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，徐文福，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]