介紹了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)基于混頻算法的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，用于測(cè)量傳感器兩路同頻信號(hào)之間的相位差。該系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），在固定采樣頻率下，對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后的振動(dòng)傳感器信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器，進(jìn)行混頻算法，計(jì)算得到傳感器信號(hào)的相位差。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)科里奧利原理可直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量。當(dāng)有流體流過(guò)測(cè)量管時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于流體質(zhì)量流量的科氏力，使測(cè)量管入口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)相位發(fā)生滯后，而出口側(cè)傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)相位發(fā)生超前。在測(cè)量管的振動(dòng)頻率一定的情況下，上述兩路正弦波信號(hào)相位差正比于流過(guò)測(cè)量管的流體的質(zhì)量流量，由于振動(dòng)頻率隨流體密度的變化而變化，故質(zhì)量流量正比于相位差與振動(dòng)頻率之比，即正比于兩路正弦波信號(hào)時(shí)間差。只有地實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器的相位差及其振動(dòng)頻率，才能達(dá)到測(cè)量流體的質(zhì)量流量的目的。同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的流體溫度，對(duì)質(zhì)量流率及密度進(jìn)行校正，以補(bǔ)償管道的剛性，根據(jù)質(zhì)量流率及密度還可計(jì)算出體積流率。

科氏質(zhì)量流量計(jì)已知的測(cè)量相位差的方法中，有根據(jù)兩路正弦波信號(hào)經(jīng)調(diào)理后檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，也有利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換以得到兩路同頻信號(hào)的相位差，還有基于矢量?jī)?nèi)積法來(lái)測(cè)量相位差，以及基于正交雙通道算法來(lái)測(cè)量相位差。本文應(yīng)用混頻算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出科氏質(zhì)量流量計(jì)振動(dòng)管上兩路同頻信號(hào)之間的相位差，并根據(jù)捕獲到的信號(hào)頻率，***終解算出流體的質(zhì)量流量。

1.混頻算法的基本原理

混頻算法的信號(hào)處理框圖見(jiàn)圖 1 所示。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的振動(dòng)傳感器信號(hào)可以描述為一系列正弦函數(shù)的和，通過(guò)合適的濾波，可將其基波信號(hào)的信息提取出來(lái)。在二次儀表的信號(hào)調(diào)理電路中采用積分濾波電路，濾除掉傳感器輸出的帶噪聲的時(shí)變正弦小信號(hào)中高次諧波與尖峰噪聲，再經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行入 A/D 轉(zhuǎn)換器，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，再通過(guò) SINC 濾波器，對(duì)過(guò)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取并濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)應(yīng)用 DSP 進(jìn)行混頻運(yùn)算，解算出兩路同頻信號(hào)的相位差。要提高科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度，關(guān)鍵是要通過(guò)提高對(duì)傳感器輸出信號(hào)的相位差的測(cè)量精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用混頻法檢測(cè)傳感器信號(hào)的相位差，提高了測(cè)量精度與計(jì)算速度，可達(dá)到理想的郊果。將兩路傳感器的輸出信號(hào)表示如下

采用混頻算法計(jì)算兩路同頻信號(hào)的相位差，需要實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)的頻率，當(dāng)信號(hào)頻率與傳感器的瞬時(shí)頻率有誤差時(shí)，通過(guò)頻率對(duì)相位進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)一步提高相位差的檢測(cè)精度。

2.混頻算法的應(yīng)用

基于混頻算法的科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量方法，首先對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)傳感器的兩路輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后，由雙路同步 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，傳送數(shù)據(jù)到數(shù)字信號(hào)處理器DSP，由 DSP 對(duì)采樣數(shù)據(jù)歸一化后，進(jìn)行混頻處理，即對(duì)傳感器的非線(xiàn)性時(shí)變信號(hào)，通過(guò)與一本振信號(hào)混合，在時(shí)域中進(jìn)行變頻運(yùn)算，得到所需的頻率信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波，***終計(jì)算出傳感器信號(hào)的相位差信息。同時(shí)，對(duì)其中一路信號(hào)進(jìn)行過(guò)零比較，由 DSP 的捕獲單元捕捉其振動(dòng)頻率，從而得到科氏質(zhì)量流量計(jì)振管的振動(dòng)頻率。由振動(dòng)頻率與相位差信息，計(jì)算出流過(guò)振管的流體介質(zhì)的質(zhì)量流量與密度。同時(shí)根據(jù)流體介質(zhì)的溫度，對(duì)流體的質(zhì)量流量與密度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到實(shí)際的質(zhì)量流量與密度值?；诨祛l算法的科式質(zhì)量流量計(jì)變送器原理框圖如圖 2 所示。

3.標(biāo)定結(jié)果

運(yùn)用混頻算法對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)兩路傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，***終解算出流體的質(zhì)量流量?；谠撛淼臄?shù)字質(zhì)量流量變送器樣機(jī)在公司標(biāo)定站配標(biāo)不同型號(hào)的質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表 1。

表 1 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN50 傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動(dòng)頻率為 70Hz 左右。從表 1 中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性±0.05%，標(biāo)定量程比達(dá)到 30:1。

表 2 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN25 傳感器連接進(jìn)行標(biāo)定所得，該型傳感器振動(dòng)頻率為 80Hz 左右。從表 2 中可以看出，其標(biāo)定結(jié)果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復(fù)性在 ± 0.05% 以?xún)?nèi)，標(biāo)定量程比為 15:1。

 從以上兩組標(biāo)定數(shù)據(jù)可以看出，基于混頻算法的質(zhì)量流量數(shù)字變送器，與模擬變送器相比，提高了測(cè)量精度及計(jì)算速度，擴(kuò)大了量程比，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

4.結(jié)論

基于科里奧利原理的質(zhì)量流量計(jì)，其傳感器的相位差測(cè)量方法國(guó)內(nèi)外有許多種，本文將混頻算法的相位差測(cè)量方法應(yīng)用在質(zhì)量流量變送器上，該算法濾掉了信號(hào)中的低頻干擾、高次諧波及噪聲，對(duì)于提高儀表的測(cè)量精度，擴(kuò)大量程比，抑制噪聲等都有很大的優(yōu)勢(shì)。變送器樣機(jī)連接不同口徑、不同頻率的傳感器進(jìn)行了實(shí)際標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果達(dá)到了***初的設(shè)計(jì)要求。擴(kuò)大量程比拓寬了質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用范圍，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的作用。