科氏质量流量计数字信号处理系统技术方案

一种以数字信号处理器（ＤＳＰ）为核心、基于离散傅里叶变换方法（ＤＦＴ）的科氏质量流量计数字信号处理系统，由信号采集通道、ＤＳＰ和逻辑控制、液晶显示、键盘输入、温度检测、串行通信、４～２０ｍＡ输出、激振等电路及软件组成。它采用ＤＦＴ方法处理科里奥利质量流量传感器的信号，计算其流量管振动基频处的相位差、幅值和频率，测出质量流量。以易实现的、精度较高的频率跟踪方法，实现整周期采样，保证数字信号处理的精度。（*该技术在2020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】
本专利技术涉及科里奥利质量流量计，特别是一种以数字信号处理器为核心，基于离散傅里叶变换(DFT)的实时信号处理系统。科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)是70年代末期由美国MicroMotion公司研制出的一种新型质量流量计，可以直接高精度地测量流体质量，是当前发展最为迅速的流量计之一。相对于其它通过体积流量等来间接求流体质量的流量计来说，科氏流量计具有很多优点(1)其抗蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已较满意地得到解决，因此可以测量范围广泛的介质，如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的流体；(2)管道内无障碍物，无可动部件，故障因素少，便于清洗、维护和保养；(3)安装简便，各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装；调整、使用方便，不必配置进出口的直管段；(4)能较容易地测量多相流体；(5)多参数测量，在测量质量流量的同时，可以同时获取体积流量、温度、及密度等；对于影响量，如压力、温度、密度和粘度以及流速分布等不敏感。但是，由于其工作原理和现有的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数等)，目前此类流量计存还存在一些局限(1)对噪声特别敏感。而工业现场，噪声各种各样，干扰是无法避免的。这种计数式的信号处理方法易受噪声影响，导致实际的测量精度达不到指标规定的精度。(2)管子的振动频率受流体密度等因素的影响，使其不等于驱动频率，以致于传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂，二次仪表所测出的是合成波的相差。美国微动公司申报了用离散傅立叶变换(DFT)处理科氏流量计的输出信号，并用TMS系列的DSP研制二次仪表的专利(Paul Romano.Coriolics massflow rate meter having a substantially increased noise immunity.US Patent No.4934196，Jun.19，1990)。将整个信号处理过程分为初始化、相位差测量和频率跟踪三个阶段。在初始化过程中，对信号频率进行粗测和细测，以获得准确的信号频率，实现整周期采样；在相位差测量阶段，计算出相位差；在频率跟踪阶段，测量频率的变化，调整采样频率，以便整周期采样，为下一次相位差计算做准备。但是，频率跟踪中的过零采样这一关键技术并没有披露。合肥工业大学徐科军等对此进行研究，给出了具体方法和仿真结果(徐科军，吕迅竑，陈荣保。基于DFT的科氏流量计信号处理方法，中国科学技术大学学报，1998，28(专辑)180～183；徐科军，吕迅竑，陈荣保。DFT方法处理科氏流量计信号中关键技术的研究，工业仪表与自动化装置，1998(5)7～10)。然而在实际中，过零采样是很难做到的。合肥工业大学徐科军等有提出了一种不需要过零采样的频率跟踪方法(徐科军，姜汉科，苏建徽等。科氏流量计信号处理中频率跟踪方法的研究，计量学报，1999，19(4)304～307；徐科军，于翠欣，姜汉科等。Researchon Signal Processing of Coriolis Mass Flowmeter，ICEMI’99，Harbin，China，August，18-21，1999，电子测量与仪器学报，1999，13(增刊)835～841)。但是，但该方法仅能测量出跟踪过程中的频率的变化，而对在两次频率跟踪之间的频率变化无法检测；且由于测得的是一段时间内频率变化的平均值，测量结果可能存在较大误差。日本富士公司申报了用矢量分析处理科氏流量计输出信号的专利(Yoshimura Hiroyuki.Phase difference measuring apparatus for measuring phasedifference between input signals.European patent application，EP0791807A2，27.08.1997；Yoshimura Hiroyuki.Phase difference measuring apparatusand flowmeter thereof.European patent application，EP 0702212A2，20.03.1996)。该方法将两路信号相加得第三路信号，再将三路信号分别通过抗混迭滤波、放大和采样通道进入DSP，并在其中进行带通滤波及DFT转换，计算出相位差，进而计算质量。在计算中幅值始终是一极其重要的参数，并且信号通道增多，因而引进了许多新的误差，需要进行误差补偿，但补偿参数又不易获得精确值。而该仪表对精度要求很高，因此该方法存在较大的局限性和复杂性。另外，美国微动公司申报专利中的激振电路有问题。激振电路应该与传感器组成一个自激振动系统，该系统始终在流量管的固有频率上振动，并保持振幅的恒定。而美国专利中激振电路的输出信号来自DSP，无法跟踪流量管固有频率的变化。本专利技术的目的是提供一种以数字信号处理器ADSP2181为核心的、基于离散傅里叶变换(DFT)的科氏质量流量计数字信号处理系统，处理流量计中两个传感器的输出信号，在现场有干扰以及流量管振动基频发生变化时，也能测准流量信号的频率和相位差，从而测准质量流量，保证现场测量精度。本专利技术为了实现专利技术目的，采用了如下技术方案。该系统由数字信号处理器ADSP2181、信号采集通道、逻辑控制电路、LCD显示电路、键盘输入电路、串行通信电路、4～20mA输出电路和激振电路以及软件组成。其中，信号采集通道由放大及低通滤波器、温度检测电路、多路转换器和采样保持及模数转换电路组成。键盘输入完成对系统参数设定、显示内容选择的功能。串行通信接口使系统可以和其它微机或单片机进行通信。激振电路由电压跟随、放大滤波电路、整流电路、增益控制电路、乘法电路、振动过强保护电路、电压放大电路和功率放大电路组成，能自动跟踪流量管固有振动频率的变化，以此频率驱动流量管振动，并保持振幅稳定。软件包括监控程序、中断服务模块、外部中断服务模块、定时中断服务模块、初始化模块、相位差测量模块、频率跟踪模块、键盘监控模块、显示模块通信模块、温度补偿模块和延时子程序。本专利技术以ADSP2181为处理核心，采用DFT方法，处理流量计信号，计算出流量管振动基频的频率、相位差和幅值，从而得到准确的质量流量。流量计中的传感器(例如，两个磁电式传感器)将所感受到流量信号转换成电信号；磁电传感器的输出电信号经过放大和滤波器、多路转换器，送到模/数转换器；ADSP2181与模/数转换器之间用中断方式通信。ADSP2181在中断服务程序中读入采样数据，送入数据缓冲区。ADSP2181定时对采样数据进行处理，分为测量初始化阶段、相位差测量阶段和频率跟踪阶段。在初始化阶段，只采集1个传感器的信号进行粗测和细测，得到信号频率的准确值，以便实现整周期采样，保证信号处理的精度。在初始化阶段完成后，就进入相位差测量阶段。以信号频率的整数倍的频率，交叉采集2个传感器的信号，计算其相位差和幅值；再根据仪表参数和通过温度等补偿，可以得到瞬时质量流量值等流量数值。流量管的振动频率会随着被测流体密度的不同而发生变化，为了确保采样频率是信号频率的整数倍，必须定时进行频率跟踪。提出一种容易实现的、精度较高的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种科氏质量流量计信号处理系统，由信号采集通道、数字信号处理器（ＤＳＰ）、逻辑控制电路、液晶显示（ＬＣＤ）电路、键盘输入电路、温度检测电路、串行通信电路、４～２０ｍＡ输出电路和激振电路以及软件组成；其特征在于ＤＳＰ及逻辑控制电路部分和系统中的信号采集通道、ＬＣＤ电路、键盘输入电路、温度检测电路、串行通信电路、４～２０ｍＡ输出电路等相连，构成对科氏质量流量计的传感器的输出信号进行数字信号处理的系统。

【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，于翠欣，苏建徽，陈荣保，刘家军，
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]