过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法技术

本发明专利技术公开了一种过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法，属于科氏流量计数字信号处理领域。本发明专利技术解决现有方法中对于高压加氢流量计实时性以及精度难以兼得的问题，本发明专利技术采用基于傅里叶级数拟合的过零检测方法和解调正弦信号的正交解调方法的混合算法，首先，使用过零检测法得到一个初步的相位差估计值，其次，需要生成两路正交解调信号，再次，对两路解调信号进行低通滤波处理，去除高频噪声和其他干扰信号，得到两路解调信号的幅度，接着，通过幅度值计算两路解调信号的相位差。然后，使用过零检测得到的相位差估计值，对正交解调得到的相位差进行修正，得到最终的相位差计算结果，最后，采用标准气体法进行误差校正。差校正。差校正。

【技术实现步骤摘要】
过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法


[0001]本专利技术涉及科氏流量计数字信号处理领域，具体是一种在平稳单相流工作条件下的科氏流量计相位差计算方法。

技术介绍

[0002]流量的质量测量在许多工业领域中有着广泛的应用。流体在振动的测量管内流动时会对管壁产生一个力，称为科里奥利力，简称科氏力。在科氏力的影响下，测量管会发生扭转振动。在实际的应用当中，振动表现为正弦信号。在测量管中没有流量的条件下，两侧正弦信号没有相位差；但是在有流量的情况下，在测量管两端的检测线圈将会检测出不同相位的正弦信号，正弦信号的相位差与科氏力的大小呈线性关系，因此通过测量相位差的大小反映出流体的质量大小，同时由于是直接测量，获得很高的精度。
[0003]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，只能达到1度左右的精度等级。因此，将过零检测算法应用于测量科氏流量计的相位差存在一些限制和缺点。首先，科氏流量计的信号频率较低，过零点可能很少，导致算法的精度下降；其次，科氏流量计的信号可能受到噪声等干扰，导致误判为过零点或漏报；再者，科氏流量计的信号可能存在非对称周期，过零点不在信号的中心位置，也会影响算法的精度；此外，科氏流量计的信号频率可能会改变，需要不断调整参数，否则精度也会下降；最后，科氏流量计的信号可能是多频信号，过零点可能会混淆，导致误报或漏报。
[0004]要想从根本上提高科氏流量计的测量精度，必须找到一种新型检测和信号提取方法。引入一种基于过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法，这种方法利用过零检测算法实时性好的特点和正交解调算法精度高、稳定性强的特点使得科氏流量计在测量时不受科氏流量计信号频率、噪声等影响，能够满足更高要求的工程应用需求及通用性。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术针对现有的高压加氢流量计算法中的缺点与不足，提出了一种过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法。科氏流量计在平稳运行状态下的信号模型为平稳单相流信号，主要表现为正弦信号叠加高斯白噪声的形式，频率和相位不会发生太大的变化。因此，本方法针对现有高压加氢流量计算法在平稳单相流条件下计算实时性不足和精度不高的问题，提出采用改进的IIR数字滤波器跟踪频率，过零检测和正交解调混合算法计算相位差，同时采用标准气体法进行误差校正的方式。凭借过零检测算法实时性好的特点和正交解调算法精度高的特点以及标准气体法的误差校正，能够很好的解决实时性和精度的问题。
[0006]技术方案：一种基于过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：建立平稳单相流条件下的科氏流量计信号y(n)为：
[0008][0009]其中：e(n)是均值为零，方差为1的高斯白噪声，B用来控制噪声的幅度，进而控制信噪比；A为幅值，在检测中幅值的变化主要是由噪声所引起的，因此在此将其视为常量；ω为科氏流量计的振动频率，为信号的原始相位；
[0010]步骤2：从高压加氢流量计中获取原始交流信号；
[0011]步骤3：将原始信号分别经过两个相位相差90度的滤波器，然后测量它们的过零时间，得到一个初步的相位差估计值；
[0012]步骤4：根据原始信号频率，生成两个相位相差90度的正弦波信号，并将其与原始信号相乘，得到两路解调信号；
[0013]步骤5：设计IIR低通降噪滤波器，用于去除高频噪声和其他干扰信号；
[0014]步骤5.1：首先根据实际需求确定需要滤除的噪声和干扰信号的频率范围；
[0015]步骤5.2：确定滤波器的通带和阻带，通带的频率范围为0到通带截止频率f
p
，阻带的频率范围为阻带截止频率f
s
到无穷大。其中，通带截止频率f
p
和阻带截止频率f
s
的值应该根据实际需求进行选择；
[0016]步骤5.3：将过零检测算法和正交解调算法的输出进行加权平均，得到混合信号。
[0017]具体公式为：
[0018]y(n)＝(1
‑
α)*x(n)+α*x
′
(n)
[0019]其中，x(n)为过零检测算法的输出，x
′
(n)为正交解调算法的输出，α为加权系数，根据实际需求进行选择；
[0020]步骤5.4：根据实际需求选择合适的阶数。阶数越高，滤波器的性能越好，但是计算复杂度也会增加。常用的阶数为2到10阶；
[0021]步骤5.5：使用MATLAB等工具进行滤波器的仿真，根据滤波器的性能进行优化，使其达到最佳的效果；
[0022]步骤6：在解调信号时，采用自适应格型IIR陷波器算法来去除信号中的干扰成分，从而提高解调的精度和可靠性；
[0023]步骤7：对两路解调信号进行低通滤波处理，得到两路解调信号的幅度；
[0024]步骤8：通过幅度值计算两路解调信号的相位差。具体计算公式为：
[0025][0026]其中，A1和A2分别是两个正弦波解调信号的幅度值；
[0027]步骤9：使用过零检测得到的相位差估计值，对正交解调得到的相位差进行修正，得到最终的相位差计算结果；
[0028]步骤10：得到相位差之后，采用标准气体法进行误差校正，修正计算所得的误差。
[0029]进一步的，所述步骤6的具体步骤为：
[0030]步骤6.1：确定自适应格型陷波器；
[0031]首先需要设计一个初始的格型IIR陷波器，其中包括格型滤波器和IIR陷波器；
[0032]格型滤波器的传递函数为：
[0033]H(z)＝1
‑
z
(
‑
d)
[0034]其中，d为延迟器的延迟长度；
[0035]IIR陷波器的传递函数为：
[0036][0037]其中，r为阻尼系数，ω0为需要陷波的频率。将格型滤波器和IIR陷波器串联起来，得到格型IIR陷波器的传递函数为：
[0038][0039]步骤6.2：调整格型滤波器和IIR陷波器的参数；
[0040]根据实际需求和实时信号情况，我们可以通过以下公式来调整格型滤波器和IIR陷波器的参数。
[0041]格型滤波器延迟长度d的调整：
[0042]d(n+1)＝d(n)+μ*e(n)*x(n)
[0043]其中，d(n)为当前的延迟长度，μ为步长，e(n)为误差信号，x(n)为输入信号；
[0044]IIR陷波器阻尼系数r和需要陷波的频率ω0的调整：
[0045]r(n+1)＝r(n)+μ*e(n)*sin(ω0*n)
[0046]ω0(n+1)＝ω0(n)
‑
μ*e(n)*r(n)*cos(ω0(n)*n)
[0047]其中，r(n)为当前的阻尼系数，ω0(n)为当前的需要陷波的频率，μ为步长，e(n)为误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法，该方法包括以下步骤：步骤1：建立平稳单相流条件下的科氏流量计信号y(n)为：其中：e(n)是均值为零，方差为1的高斯白噪声，B用来控制噪声的幅度，进而控制信噪比；A为幅值；ω为科氏流量计的振动频率，为信号的原始相位；步骤2：从高压加氢流量计中获取原始交流信号；步骤3：将原始信号分别经过两个相位相差90度的滤波器，然后测量它们的过零时间，得到一个初步的相位差估计值；步骤4：：根据原始信号频率，生成两个相位相差90度的正弦波信号，并将其与原始信号相乘，得到两路解调信号；步骤5：设计IIR低通降噪滤波器；步骤5.1：首先根据实际需求确定需要滤除的噪声和干扰信号的频率范围；步骤5.2：确定滤波器的通带和阻带，通带的频率范围为0到通带截止频率f
p
，阻带的频率范围为阻带截止频率f
s
到无穷大；步骤5.3：将过零检测算法和正交解调算法的输出进行加权平均，得到混合信号，具体公式为：y(n)＝(1
‑
α)*x(n)+α*x
′
(n)其中，x(n)为过零检测算法的输出，x
′
(n)为正交解调算法的输出，α为加权系数；步骤5.4：阶数为2到10阶；步骤5.5：使用MATLAB等工具进行滤波器的仿真；步骤6：在解调信号时，采用自适应格型IIR陷波器算法来去除信号中的干扰成分；步骤7：对两路解调信号进行低通滤波处理，得到两路解调信号的幅度；步骤8：通过幅度值计算两路解调信号的相位差，具体计算公式为：其中，A1和A2分别是两个正弦波解调信号的幅度值；步骤9：使用过零检测得到的相位差估计值，对正交解调得到的相位差进行修正，得到最终的相位差计算结果；步骤10：得到相位差之后，采用标准气体法进行误差校正，修正计算所得的误差。2.如权利要求1所述的过零检测和正交解调混合的科氏流量计相位差计算方法，其特征在于，所述步骤6的具体方法为：步骤6.1：确定自适应格型陷波器；首先需要设计一个初始的格型IIR陷波器，其中包括格型滤波器和IIR陷波器；格型滤波器的传递函数为：H(z)＝1
‑
z
(
‑
d)
其中，d为延迟器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青春，杨康，张明超，张宇翔，陈寿祥，唐欢，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：