[发明专利]一种科里奥利质量流量计高精度频率跟踪及估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其是科里奥利质量流量计的频率跟踪及估计方法。

背景技术

科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)是一种基于谐振原理和科氏效应(流体在直线运动时产生与质量流量成正比的科里奥利力原理)，并能以极高的测量精度和可靠性实现精确测量流体流量质量的高端仪器仪表。目前，国内市场上销售的CMF大多采用模拟驱动方式和模拟信号处理方法，易受外界震动和流体流速不稳定的影响，使得工业现场测量质量流量精度低于实验时标定的精度。模拟电路驱动和处理方法是对来自CMF输出的两路频率相同、相位不同的正弦信号进行滤波和过零点检测，将其转换成两路方波信号，再利用方波信号的上升沿或下降沿来计数解算信号的频率。模拟驱动及信号处理的缺点在于驱动增益有限、频率跟踪缓慢，不能解决两相流、批料流发生时流量管固有频率及阻尼比剧烈变化情况下的流量管停振而无法跟踪到频率的问题。

《面向时变的科里奥利质量流量计信号的处理方法研究与实现》公开了一种科里奥利质量流量计的信号处理方法，提出将多抽一滤波器、自适应格型陷波滤波器和负频率修正的滑动DTFT递推算法组合起来作为一套科里奥利流量计信号处理方法，该方法采用两级多抽一滤波器，同时采用30阶FIR低通滤波器，虽然能较好的保证线性相位特性，但是其数据运算量大、处理实时性不强，只能作为一种计算机仿真验证方法来研究，很难运用在存储容量有限的嵌入式数字信号处理器上。针对CMF输出两路信号的高精度频率算法估计和跟踪表述，该方法对于其采用的自适应格型陷波滤波器的参数描述模糊，虽然提到使用Burg算法进行自适应调整，却没有详细说明参数整定的具体方法。

合肥工业大学徐科军等的中国专利“基于AFF和SGA的科氏质量流量计数字信号处理系统，CN1467485”采用自适应陷波器(Adaptive Funnel Shaped Filter，AFF)，以自适应线性增强信号、跟踪和测量信号频率，能兼顾频率跟踪能力及跟踪精度，但问题在于该方案是基于定点型DSP(Digital Signal Processor，DSP)开发的算法。参考德州仪器TMS320系列DSP数据手册以及文献《DSP基本体系结构和特点》可知，定点型DSP相比于浮点型DSP，定点DSP的字长每增加1bit，动态范围扩大6dB，在处理低信噪比信号的场合，需要对数据不断地移位定标或者截尾。但是频繁地移位定标要耗费大量的程序空间和执行时间，截尾处理则会使计算的精度劣化。32bit浮点运算DSP的动态范围可以达到1536dB，这不仅扩大了数据动态范围，还因为大大减少了定标，移位和溢出检查，从而提高了运算精度，可节省大量运算时间和存储空间。由于浮点DSP的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其处理速度远高于定点DSP，这一优点在实现高精度复杂算法时尤为突出，为复杂算法的实时处理提供了保证。

西安东风机电有限公司的中国专利“一种基于谐波分解的科里奥利质量流量计数字信号解算装置及方法，CN1837758”提到其在DSP中采用特殊设计的梳状滤波器实现带通滤波来抑制直流和工频干扰，且其所述的滤波器可以覆盖其使用的CMF装置的全部工作频率。该专利采用FIR滤波器来实现其所述功能，且要求中心频率是固定的，若采用该专利所述方法实现CMF高精度频率估计，所要面对的问题在于解决其所述的覆盖所有CMF装置的全部工作频率，此算法设计复杂，虽然可以起到稳定滤波器特性的效果，但需要以付出大量的运算空间和运算时间为代价，其使用的最小二乘法对信号进行谐波分解，虽然不受非整周期截断的影响，但这种方法计算量大，实时跟踪频率的效果不佳。

综上所述，对于高精度估计科里奥利质量流量计的输出信号频率，且保持实时跟踪，需要采用合适的频率估计跟踪算法，尽量优化算法流程，在充分发挥硬件性能的基础上，保证频率估计的精度和算法的快速收敛性，并且不增加算法的时间复杂度和空间复杂度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明为提高科里奥利质量流量计输出信号频率估计的精度，保证跟踪频率的稳定性，提出采用改进的分段相位差频率估计方法对科里奥利质量流量计输出信号进行解算，以得到与流体流量质量和密度相关的瞬时频率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下述步骤：

步骤一、根据CMF一次仪表有效输出信号确定贝塞尔滤波器的通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减四个技术指标，将四个技术指标输入电路设计软件，得到用于科里奥利质量流量计二次仪表的滤波器电路图；