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科里奥利质量流量计信号处理与驱动方法的研究

徐文福  
【摘要】: 科里奥利质量流量计由于其精度高、测量流体范围广、可做多参数测量等优点,在工业上获得了广泛的运用。原来的科氏流量计的信号处理主要是采用模拟电路,由于模拟信号处理系统存在很多缺点,越来越多的公司和研究机构都投入大量的人力物力来研究数字信号处理方法和系统。同时,驱动系统是科里奥利质量流量计的重要组成部分之一,它为流量管提供驱动力,使流量管以其固有频率和稳定的振幅振动,并且能够跟随流量管固有频率的变化而变化。笔者在所在实验室以往研究成果的基础上,对科氏流量计的数字信号处理方法和驱动方法进行了研究。主要研究了三种科氏流量计的数字信号处理方法:基于数字锁相环的方法、基于正交解调的方法和基于自适应Funnel滤波器和滑动Goertzel算法的方法;以及科氏流量计驱动的原理、各种模拟驱动的波形、电路以及数字驱动的方法等。 针对科里奥利质量流量计信号的特点,即信号频率在小范围内变化和信号易受谐波干扰的特点,采用基于数字锁相环的方法处理科氏质量流量计的信号,跟踪信号频率的变化,计算相位差,对美国专利提出的方法进行了改进,并作了仿真。仿真结果表明,在有谐波干扰的情况下,数字锁相环方法可以准确地跟踪信号频率的变化和计算相位差。此外,还对相位差产生的原因进行了分析。 研究基于正交解调的科里奥利质量流量计信号处理方法,给出了同时求出信号的频率、幅值和相位(差)的公式,设计两种滤波器,研究两种跟踪方法,并进行仿真和比较,得到较好的方案。理论分析和仿真结果表明,该方法仅受基频附近的噪声的影响,如果能够设计更加理想的滤波器,其处理精度还会进一步提高。 提出基于自适应Funnel滤波器和滑动Goertzel算法的科氏流量计信号处理方法。它将自适应Funnel波器和滑动Goertzel算法结合起来,能够精确地跟踪信号的频率,计算相位差。与以往的方法相比,该方法具有兼顾跟踪精度和跟踪速度两方面要求,用定点实现时不容易产生溢出和适合于时变信号等优点。 目前主要采用模拟驱动方式。本文分析这种驱动系统的工作原理,并且从能量的观点、实现的难易程度、对高低频振动管的驱动等方面比较了各种波形的驱动信号,本文还研究几种驱动电路,以产生相应的驱动波形。 本文还对各种数字驱动方法进行了探讨,这些方法总结起来主要有基于非线性模型的方法、基于MDAC的方法、基于DAC和MDAC的方法,以及基于波形合成的方法,其中针对波形合成方法中存在的问题,本文还提出了实现使振动系统起振以及自动跟踪固有频率变化的数字驱动算法。


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