[發(fā)明專利]一種科里奧利質(zhì)量流量計高精度頻率跟蹤及估計方法

在審

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• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106643944A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李京華;黃熠彬;司君國;楊昭杰
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G01F1/84
• 分類號: G01F1/84
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心61204
• 代理人: 金鳳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，尤其是科里奧利質(zhì)量流量計的頻率跟蹤及估計方法。

背景技術(shù)

科里奧利質(zhì)量流量計(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)是一種基于諧振原理和科氏效應(yīng)(流體在直線運動時產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理)，并能以極高的測量精度和可靠性實現(xiàn)精確測量流體流量質(zhì)量的高端儀器儀表。目前，國內(nèi)市場上銷售的CMF大多采用模擬驅(qū)動方式和模擬信號處理方法，易受外界震動和流體流速不穩(wěn)定的影響，使得工業(yè)現(xiàn)場測量質(zhì)量流量精度低于實驗時標定的精度。模擬電路驅(qū)動和處理方法是對來自CMF輸出的兩路頻率相同、相位不同的正弦信號進行濾波和過零點檢測，將其轉(zhuǎn)換成兩路方波信號，再利用方波信號的上升沿或下降沿來計數(shù)解算信號的頻率。模擬驅(qū)動及信號處理的缺點在于驅(qū)動增益有限、頻率跟蹤緩慢，不能解決兩相流、批料流發(fā)生時流量管固有頻率及阻尼比劇烈變化情況下的流量管停振而無法跟蹤到頻率的問題。

《面向時變的科里奧利質(zhì)量流量計信號的處理方法研究與實現(xiàn)》公開了一種科里奧利質(zhì)量流量計的信號處理方法，提出將多抽一濾波器、自適應(yīng)格型陷波濾波器和負頻率修正的滑動DTFT遞推算法組合起來作為一套科里奧利流量計信號處理方法，該方法采用兩級多抽一濾波器，同時采用30階FIR低通濾波器，雖然能較好的保證線性相位特性，但是其數(shù)據(jù)運算量大、處理實時性不強，只能作為一種計算機仿真驗證方法來研究，很難運用在存儲容量有限的嵌入式數(shù)字信號處理器上。針對CMF輸出兩路信號的高精度頻率算法估計和跟蹤表述，該方法對于其采用的自適應(yīng)格型陷波濾波器的參數(shù)描述模糊，雖然提到使用Burg算法進行自適應(yīng)調(diào)整，卻沒有詳細說明參數(shù)整定的具體方法。

合肥工業(yè)大學徐科軍等的中國專利“基于AFF和SGA的科氏質(zhì)量流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，CN1467485”采用自適應(yīng)陷波器(Adaptive Funnel Shaped Filter，AFF)，以自適應(yīng)線性增強信號、跟蹤和測量信號頻率，能兼顧頻率跟蹤能力及跟蹤精度，但問題在于該方案是基于定點型DSP(Digital Signal Processor，DSP)開發(fā)的算法。參考德州儀器TMS320系列DSP數(shù)據(jù)手冊以及文獻《DSP基本體系結(jié)構(gòu)和特點》可知，定點型DSP相比于浮點型DSP，定點DSP的字長每增加1bit，動態(tài)范圍擴大6dB，在處理低信噪比信號的場合，需要對數(shù)據(jù)不斷地移位定標或者截尾。但是頻繁地移位定標要耗費大量的程序空間和執(zhí)行時間，截尾處理則會使計算的精度劣化。32bit浮點運算DSP的動態(tài)范圍可以達到1536dB，這不僅擴大了數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，還因為大大減少了定標，移位和溢出檢查，從而提高了運算精度，可節(jié)省大量運算時間和存儲空間。由于浮點DSP的浮點運算用硬件來實現(xiàn)，可以在單周期內(nèi)完成，因而其處理速度遠高于定點DSP，這一優(yōu)點在實現(xiàn)高精度復雜算法時尤為突出，為復雜算法的實時處理提供了保證。

西安東風機電有限公司的中國專利“一種基于諧波分解的科里奧利質(zhì)量流量計數(shù)字信號解算裝置及方法，CN1837758”提到其在DSP中采用特殊設(shè)計的梳狀濾波器實現(xiàn)帶通濾波來抑制直流和工頻干擾，且其所述的濾波器可以覆蓋其使用的CMF裝置的全部工作頻率。該專利采用FIR濾波器來實現(xiàn)其所述功能，且要求中心頻率是固定的，若采用該專利所述方法實現(xiàn)CMF高精度頻率估計，所要面對的問題在于解決其所述的覆蓋所有CMF裝置的全部工作頻率，此算法設(shè)計復雜，雖然可以起到穩(wěn)定濾波器特性的效果，但需要以付出大量的運算空間和運算時間為代價，其使用的最小二乘法對信號進行諧波分解，雖然不受非整周期截斷的影響，但這種方法計算量大，實時跟蹤頻率的效果不佳。

綜上所述，對于高精度估計科里奧利質(zhì)量流量計的輸出信號頻率，且保持實時跟蹤，需要采用合適的頻率估計跟蹤算法，盡量優(yōu)化算法流程，在充分發(fā)揮硬件性能的基礎(chǔ)上，保證頻率估計的精度和算法的快速收斂性，并且不增加算法的時間復雜度和空間復雜度。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明為提高科里奧利質(zhì)量流量計輸出信號頻率估計的精度，保證跟蹤頻率的穩(wěn)定性，提出采用改進的分段相位差頻率估計方法對科里奧利質(zhì)量流量計輸出信號進行解算，以得到與流體流量質(zhì)量和密度相關(guān)的瞬時頻率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括下述步驟：

步驟一、根據(jù)CMF一次儀表有效輸出信號確定貝塞爾濾波器的通帶截止頻率、通帶最大衰減、阻帶截止頻率、阻帶最小衰減四個技術(shù)指標，將四個技術(shù)指標輸入電路設(shè)計軟件，得到用于科里奧利質(zhì)量流量計二次儀表的濾波器電路圖；