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数字信号处理技术在科氏质量流量计中的应用.pdf
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数字信号处理技术在科氏质量流量计中的应用.pdf,科氏质量流量计是目前应用范围最广、发展速度最快的流量计之一。数字信号处理技术是科氏质量流量计的核心技术,直接决定其测量精度、测量稳定性等性能指标;而流量传感器输出信号的数学模型是信号处理的依据和基础。国内外学者提出了多种信号处理方法,但是,没有根据不同的信号模型和不同的应用场合对各种信号处理方法进行比较和评价。为此,根据不同数字信号处理方法的特征量提取原理,分析了其具有的优缺点。针对科氏质量流量计单相流、批料流与气液两相流测量这3种典型应用场合中存在的关键技术问题,依据随机游动信号模型、突变信号模型和自回归滑动平均(ARMA)信号模型,分别从计算精度、响应速度、收敛性、抗干扰能力和对参数变化的敏感度等方面,对不同信号处理方法进行考核和对比,确定了3种典型应用场合下,解决关键技术问题,性能最佳的数字信号处理方法。
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第 38卷 第 9期
2017年 9月
仪 器 仪 表 学 报
ChineseJournalofScientificInstrument
Vol38No9
Sep.2017
收稿日期:201705 ReceivedDate:201705
基金项目:国家自然科学基金(61573124)项目资助
数字信号处理技术在科氏质量流量计中的应用
张建国,徐科军,方正余,乐 静,刘 文
(合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009)
摘 要:科氏质量流量计是目前应用范围最广、发展速度最快的流量计之一。数字信号处理技术是科氏质量流量计的核心技
术,直接决定其测量精度、测量稳定性等性能指标;而流量传感器输出信号的数学模型是信号处理的依据和基础。国内外学者
提出了多种信号处理方法,但是,没有根据不同的信号模型和不同的应用场合对各种信号处理方法进行比较和评价。为此,根
据不同数字信号处理方法的特征量提取原理,分析了其具有的优缺点。针对科氏质量流量计单相流、批料流与气液两相流测量
这 3种典型应用场合中存在的关键技术问题,依据随机游动信号模型、突变信号模型和自回归滑动平均(ARMA)信号模型,分
别从计算精度、响应速度、收敛性、抗干扰能力和对参数变化的敏感度等方面,对不同信号处理方法进行考核和对比,确定了 3
种典型应用场合下,解决关键技术问题,性能最佳的数字信号处理方法。
关键词:科氏质量流量计;数字信号处理方法;单相流测量;批料流测量;气液两相流测量
中图分类号:TH814 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:470.40
ApplicationsofdigitalsignalprocessingtechnologyinCoriolismassflowmeter
ZhangJianguo,XuKejun,FangZhengyu,YueJing,LiuWen
(SchoolofElectricalandAutomationEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
Abstract:Coriolismassflowmeterisoneofthemostwidelyusedandfastestgrowingflowmeters.Digitalsignalprocessingtechnologyis
thecoreofCoriolismassflowmeteranditdirectlydeterminesthemeasurementaccuracy,measurementstabilityandetc..The
mathematicalmodelofsensoroutputsignalisthebasisofsignalprocessing.Scholarsathomeandabroadhaveproposedmanysignal
processingmethodsforCoriolismassflowmeter.Butthereisalackofcomparisonandevaluationforthesesignalprocessingmethods
basedondifferentmathematicalmodelsanddifferentapplications.Therefore
,theadvantagesanddisadvantagesofdifferentsignal
processingmethodsareanalyzedaccordingtotheirfeatureextractionprinciples.Thecalculationaccuracy,responserate,convergence,
antijammingcapabilityandsensitivityofdifferentsignalprocessingmethodsarecomparedandevaluatedaccordingtorandomwalkmodel
ofsingleflow
,mutantsignalmodelofbatchflowandARMAsignalmodelofgasliquidtwophaseflow.Theoptimizedsignalprocessing
methodsaredeterminedforsignalflowmeasurement,batchflowmeasurementandgasliquidtwophaseflowmeasurementtosolvekey
technicalissues.
Keywords:Coriolismassflowmeter;digitalsignalprocessingmethod;singlephaseflowmeasurement;batchflowmeasurement;gas
liquidtwophasemeasurement
0 引 言
科里奥利质量流量计(简称科氏质量流量计)可以
直接测量质量流量,同时可以测量被测流体密度等物理
量,是当前发展最为迅猛的流量计之一。随着数字信号
处理技术和数字处理芯片迅速发展,目前应用数字信号
处理方法、基于数字处理芯片的数字式科氏质量流量计
正在逐步取代应用模拟信号处理方法、基于模拟电路的
传统式科氏质量流量计
[13]
。科氏质量流量计的关键技
术主要包括流量管驱动技术
[4]
、传感器输出信号拾取技
术、现场总线通讯技术
[5]
和数字信号处理技术
[6]
等。其
2088 仪 器 仪 表 学 报 第 38卷
中数字信号处理技术是最为核心部分,其处理结果直接
决定科氏质量流量计流量测量结果,而流量测量的准确
性是考核科氏质量流量计最为重要的性能指标。因此,
数字信号处理方法的优劣对科氏质量流量计整体性能起
着决定性的关键作用。
迄今为止,国内外学者对科氏质量流量计数字信号
处理方法做了深入而广泛的研究,并提出了多种有效的
数字信 号 处 理 方 法。主 要 包 括 基 于 离 散 傅 里 叶 变 换
(
discreteFouriertransform,DFT)频谱分析的信号处理方
法
[711]
、基于 Goertzel算法的信号处理方法
[1215]
、基于希
尔伯特变换的信号处理方法
[1618]
、基于过零检测的信号
处理方法
[1921]
、基于计及负频率影响的离散时间傅里叶
变换(discretetimeFouriertransform,DTFT)信号处理方
法
[2224]
、基于相关法的信号处理方法
[2527]
和基于正交解
调的信号处理方法
[2832]
等。为了对不同信号处理方法进
行对比分析,文献[33]面向单相流测量,对不同相位差
测量方法的性能与优缺点进行了综述,但是,未针对批料
流与气液两相流下的测量需求进行分析,因此,不够全
面;文献[
34]对过去 20年科氏质量流量计发展的各个方
面进行了综述总结,包括传感器结构、传感器模型、应用
市场与前景和信号处理方法等,但是,在信号处理部分仅
回顾了不同方法的原理,并未给不同方法之间的相互对
比的结果;文献[35]对不同信号处理方法在气液两相流
下的性能进行了综述,但是,其仿真采用的信号模型仍然
为单相流下的随机游动信号模型,与传感器实际输出信
号相差较大,因此,其对比分析结论的可靠性有待进一步
验证。
上述信号处理方法综述的对比与分析均是基于某一
特定应用场合的信号数学模型进行的,随着科氏质量流
量计应用范围的不断拓展,其测量应用的场合趋于多样
化。而不同的测量应用场合下,由于流型变化、流体状态
和干扰量的不同,使得科氏质量流量传感器输出信号呈
现出不同的信号特征,输出信号具有不同的信号数学模
型。科氏质量流量计应用的最终目的是对质量流量的高
精度测量。不同应用场合下,由于传感器输出信号特征
差异,使得科氏质量流量计对质量流量高精度测量的主
要因素也发生了变化,从而存在不同的关键技术问题。
流量传感器输出信号数学模型是信号处理的依据与基
础,因此,根据科氏质量流量计不同应用场合下不同的信
号数学模型,针对存在的不同技术问题,采用各种信号处
理方法进行比较和评价具有十分重要的意义。
为了对不同数字信号处理方法进行更好的对比与评
价,首先根据不同信号处理方法的测量原理,对比分析了
其固有的优缺点。基于科氏质量流量计在单相流、批料
流和气液两相流测量时,流量传感器输出信号的随机游
动数 学 模 型、信 号 突 变 数 学 模 型 和 自 回 归 滑 动 平 均
(
autoregressiveandmovingaverage,ARMA)数学模型这
3种不同的信号数学模型,对不同信号处理方法的计算
精度、响应速度、收敛速度、抗干扰能力和敏感度等性能
指标进行考核和对比。在对信号处理方法性能指标考核
与对比的基础上,根据不同测量需求,为最大限度地提高
科氏质量流量计测量性能,选取性能最佳的信号处理方
法提供应用的依据。
1 相位差、频率和幅值测量方法
根据科氏质量流量计测量原理可知,流经流量管的
质量流量与两路传感器输出信号时间差成正比,而时间
差由相位差和频率合成。同时,频率直接反映了被测流
体的密度,而信号的幅值可以反映流量管的振动情况,即
是否工作在最佳振动状态。因此,对科氏质量流量传感
器输出信号进行处理的关键是能否对两路信号的相位
差、频率和幅值 3个特征量进行准确的测量。这直接影
响到科氏质量流量计在不同场合下应用的成功与否,即
能否对质量流量进行高精度的测量。目前,根据信号处
理域的不同,应用于科氏质量流量传感器输出信号特征
量测量的方法主要分为两大类,即特征量频域测量方法
和特征量时域测量方法。
1.1 频域测量方法
频域信号处理方法的核心思想是将时域信号通过傅
里叶变换映射到频域中,在频域中对信号进行分析处理。
根据信号变换后的傅里叶系数得出信号频率、相位和幅
值信息。由于数字信号处理的均为有限长离散信号,会
不可避免地遇到频谱泄露、栅栏效应等问题,导致频域处
理方法的精度受到一定的影响,这些问题是频域处理方
法需要进一步改进的地方。
1)基于 DFT频谱分析的测量方法
DFT频谱分析的基本原理是通过 DFT变换得到信
号的频谱,由于功率谱可以突出主频率,根据各次谐波上
的功率谱,找到最大值,该谱线所对应的频率即为振动管
的振动基频的最佳估计,再计算两路信号基频处相位得
到相位差。离散傅里叶变换的方法可以有效地抑制谐波
噪声和随机噪声对相位差计算的干扰,具有较高的抗干
扰能力。但是,当信号为非整周期采样时,会出现频谱泄
露现象,导致相位差计算精度降低。为此,徐科军等
[7,36]
提出了采用粗测频率与细测频率相结合的方法和加窗函
数的方法,实现了对信号频率的跟踪,抑制了频谱泄露的
影响,提高了相位差计算的精度。为了降低
DFT算法的
计算复杂度和提高计算的实时性,JacobsenE等人
[37]
提
出了滑动的 DFT算法。
2)基于 Goertzel算法的测量方法
科氏质量流量管振动频率基本上在一个固定值小范
第 9期 张建国 等:数字信号处理技术在科氏质量流量计中的应用 2089
围内波动,因此,可以采用 Goertzel算法快速地计算基频
处的傅里叶系数,从而求得两路信号的相位差。此时,
Goertzel算 法 将 谐 振 器 的 频 率 设 为 信 号 频 率,而 不 是
2
π
k/N,这样就解决了非整周期采样带来的泄漏问题。同
时,为了提高算法的计算精度,降低算法的计算复杂度,倪
伟等人
[38]
提出了将格型自适应陷波滤波器与滑动 Goertzel
算法(slidingGoertzelalgorithm,SGA)相结合的方法,实现
了对信号频率的实时跟踪和相位差的高精度计算处理。
SGA算法存在收敛过程太长,不能实时求出相位差的缺
点,为此,倪伟等人
[39]
提出了采用重叠的矩形窗对增强信
号进行截取,通过冗余计算来消除收敛过程的影响。
3)基于计及负频率影响的 DTFT的测量方法
为了缩短 SGA的收敛过程和提高相位差计算精度,
采用离散序列傅里叶变换,同时将频谱中的负频率成分
考虑进 算 法 处 理 中,形 成 计 及 负 频 率 的
DTFT算 法。
DTFT算法在计算相位差之前需要先预知信号的频率,且
信号频率计算精度直接影响到相位差的计算精度。为
此,
HouQ.L.等人
[40]
将格型自适应陷波器用于信号频率
的实时计算与跟踪,具有较高的计算精度与跟踪速度,同
时作为对信号的预处理,提高了信噪比。但是,
DTFT算
法是一个逐步迭代的过程,对于一段时间内较为恒定的
信号具有较高的处理精度。当信号在一段时间内发生变
化或者微小波动时,DTFT算法无法良好的处理当前动态
变化的 相 位 差,造 成 较 大 的 计 算 误 差。为 此,李 叶 等
人
[41]
提 出 了 加 窗 滑 动 离 散 时 间 傅 里 叶 变 换 (sliding
discretetimeFouriertransform,SDTFT)算法,实现了对时
变信号相位差快速跟踪与测量,同时,通过递推算法减少
计算量,避免了序列不断叠加出现的数据溢出问题,便于
实际系统的实现。
DFT算法、Goertzel算法和 DTFT算法本质上都是通
过傅里叶系数来计算两路信号之间的相位差,但是这 3
种方法是一个逐步改进的过程,在改进的过程中,也会带
来一些新的缺点。频域信号处理算法的演变改进过程如
图 1所示。
图 1 频域处理方法演变与改进
Fig.1 Theevolutionandimprovementoffrequencydomainsignalprocessingmethods
1.2 时域测量方法
科氏质量流量计时域信号处理方法基本原理是根据
传感器输出信号所具有的时域特点,采取有针对性的分
析与处理。
1)基于希尔伯特变换的测量方法
希尔伯特变换是目前的一个研究热点,其基于科氏
质量流量传感器输出信号的正弦性,通过 90°移相器,构
造两路解析信号,利用正余弦信号的性质,实现对相位、
频率和幅值的测量。
希尔伯特变换方法具有无需预知信号频率、无收敛
过程、计算精度高等优点。但是,其抗干扰能力较弱,计
算精度受噪声干扰较大,要求信号具有较高的信噪比。
因此,信号的预滤波环节十分重要。杨辉跃等人
[42]
、黄
丹平等人
[43]
和刘维来等人
[44]
分别提出了基于奇异值分
解 (singularvaluedecomposition,SVD)降噪、基于小波变
换和多相抽取滤波以及带通滤波的信号预处理方法,有
效地增强了信号的信噪比,提高了相位差计算精度。
2)基于过零检测的测量方法
过零检测算法是一种应用较早科氏质量流量计时域
信号处理方法,其基本原理是通过提取周期性的过零点
得到相位和频率信息。过零检测算法具有运算量小、无
收敛过程和响应速度快等优点,但是由于其为时域处理
方法,容易受谐波噪声和随机噪声的干扰,导致计算结果
波动大。同时,过零点计算的精度直接决定了频率和相
位差的计算精度。为此,侯其立等人
[45]
提出了将带通滤
波和二次 Lagrange插值拟合相结合的数字式过零检测方
法,郑德智等人
[19]
提出将多抽一滤波的有限冲击响应
(finiteimpulseresponse,FIR)滤波器和切比雪夫曲线拟
合相结合的数字式过零检测方法,均实现了对噪声的良
好抑制与过零点的精确提取,提高了频率与相位差的计
算精度。
3)基于相关法的测量方法
相关法的基本思想是在理想情况下噪声与信号之
间、噪声与噪声之间是互不相关的。因此,可以通过两路
信号的互相关运算实现对相位差的测量,同时可以有效
的消除随机噪声的干扰。但是,相关运算是要求信号为
整周期的积分运算,在实际情况下,由于环境干扰和频率
波动,很难做到整周期采样,导致相关法计算相位差时产
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