江蘇華云儀表有限公司
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閱讀：54發(fā)布時間：2026-7-31
介紹了科里奧利質量流量計基于混頻算法的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，用于測量傳感器兩路同頻信號之間的相位差。該系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理器（DSP），在固定采樣頻率下，對經過調理電路、模/數(shù)轉換（A/D）后的振動傳感器信號再經過數(shù)字濾波器，進行混頻算法，計算得到傳感器信號的相位差。
科里奧利質量流量計根據(jù)科里奧利原理可直接測量流體的質量流量。當有流體流過測量管時，產生一個正比于流體質量流量的科氏力，使測量管入口側傳感器產生的正弦波信號相位發(fā)生滯后，而出口側傳感器產生的正弦波信號相位發(fā)生超前。在測量管的振動頻率一定的情況下，上述兩路正弦波信號相位差正比于流過測量管的流體的質量流量，由于振動頻率隨流體密度的變化而變化，故質量流量正比于相位差與振動頻率之比，即正比于兩路正弦波信號時間差。只有地實時測量傳感器的相位差及其振動頻率，才能達到測量流體的質量流量的目的。同時根據(jù)檢測到的流體溫度，對質量流率及密度進行校正，以補償管道的剛性，根據(jù)質量流率及密度還可計算出體積流率。
科氏質量流量計已知的測量相位差的方法中，有根據(jù)兩路正弦波信號經調理后檢測其過零點的時間差，也有利用數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行傅立葉變換以得到兩路同頻信號的相位差，還有基于矢量內積法來測量相位差，以及基于正交雙通道算法來測量相位差。本文應用混頻算法，實時計算出科氏質量流量計振動管上兩路同頻信號之間的相位差，并根據(jù)捕獲到的信號頻率，***終解算出流體的質量流量。
1.混頻算法的基本原理
混頻算法的信號處理框圖見圖 1 所示?？评飱W利質量流量計的振動傳感器信號可以描述為一系列正弦函數(shù)的和，通過合適的濾波，可將其基波信號的信息提取出來。在二次儀表的信號調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變正弦小信號中高次諧波與尖峰噪聲，再經過放大電路進行入 A/D 轉換器，對傳感器信號進行過采樣，再通過 SINC 濾波器，對過采樣的數(shù)據(jù)進行抽取并濾波，對濾波后的信號應用 DSP 進行混頻運算，解算出兩路同頻信號的相位差。要提高科里奧利質量流量計的測量精度，關鍵是要通過提高對傳感器輸出信號的相位差的測量精度來實現(xiàn)。采用混頻法檢測傳感器信號的相位差，提高了測量精度與計算速度，可達到理想的郊果。將兩路傳感器的輸出信號表示如下
采用混頻算法計算兩路同頻信號的相位差，需要實時跟蹤信號的頻率，當信號頻率與傳感器的瞬時頻率有誤差時，通過頻率對相位進行修正，從而可以進一步提高相位差的檢測精度。
2.混頻算法的應用
基于混頻算法的科氏質量流量計測量方法，首先對科氏質量流量計傳感器的兩路輸出信號，經過調理后，由雙路同步 AD 轉換器進行采樣，傳送數(shù)據(jù)到數(shù)字信號處理器DSP，由 DSP 對采樣數(shù)據(jù)歸一化后，進行混頻處理，即對傳感器的非線性時變信號，通過與一本振信號混合，在時域中進行變頻運算，得到所需的頻率信號，再經過濾波，***終計算出傳感器信號的相位差信息。同時，對其中一路信號進行過零比較，由 DSP 的捕獲單元捕捉其振動頻率，從而得到科氏質量流量計振管的振動頻率。由振動頻率與相位差信息，計算出流過振管的流體介質的質量流量與密度。同時根據(jù)流體介質的溫度，對流體的質量流量與密度進行溫度補償，得到實際的質量流量與密度值。基于混頻算法的科式質量流量計變送器原理框圖如圖 2 所示。
3.標定結果
運用混頻算法對科氏質量流量計兩路傳感器信號進行數(shù)字處理，***終解算出流體的質量流量。基于該原理的數(shù)字質量流量變送器樣機在公司標定站配標不同型號的質量流量傳感器進行標定，標定結果見表 1。
表 1 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN50 傳感器連接進行標定所得，該型傳感器振動頻率為 70Hz 左右。從表 1 中可以看出，其標定結果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復性±0.05%，標定量程比達到 30:1。
表 2 中的數(shù)據(jù)為數(shù)字變送器與太航 DN25 傳感器連接進行標定所得，該型傳感器振動頻率為 80Hz 左右。從表 2 中可以看出，其標定結果的誤差范圍小于 ± 0.1%，重復性在 ± 0.05% 以內，標定量程比為 15:1。
從以上兩組標定數(shù)據(jù)可以看出，基于混頻算法的質量流量數(shù)字變送器，與模擬變送器相比，提高了測量精度及計算速度，擴大了量程比，對質量流量計的實際應用具有重要意義。
4.結論
基于科里奧利原理的質量流量計，其傳感器的相位差測量方法國內外有許多種，本文將混頻算法的相位差測量方法應用在質量流量變送器上，該算法濾掉了信號中的低頻干擾、高次諧波及噪聲，對于提高儀表的測量精度，擴大量程比，抑制噪聲等都有很大的優(yōu)勢。變送器樣機連接不同口徑、不同頻率的傳感器進行了實際標定，標定結果達到了***初的設計要求。擴大量程比拓寬了質量流量計的應用范圍，在實際應用中具有重要的作用。
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