一、U型管科氏质量流量计信号处理方法
U型科氏流量管降低了流量管的刚性,可以采用较厚的管壁,仪表的抗损、耐腐蚀能力较强。U型科氏质量流量计传感器输出信号频率较低,一般为70~120Hz,且因其刚性较小,检测管的振幅较大,两路传感器信号的相位差较大。针对这种低频传感器信号,数字信号处理方法旨在提高整个变送器系统的抗干扰能力、小流量的测量精度。
为此,将带通滤波器、格型自适应陷波器、计及负频率影响的DTFT算法组合起来应用于这类低频信号的处理。两路传感器信号经AD采样后,先经过带通滤波器进行预处理,消除噪声的影响;滤波后的信号经过格型自适应陷波器计算出信号的频率,并且实现对信号的二次滤波;采用计及负频率影响的DTFT算法计算两路信号的相位差,提高算法的收敛速度和计算精度。
二、微弯型科氏质量流量计信号处理方法
微弯型科氏质量流量计与U型相比,体积更小,重量更轻,易于安装,特别适合化工工业管道密集的场合,且压力损失更小,不容易产生流量的淤积,避免了附加的测量误差,受到广大用户的欢迎;其信号频率较高,(如太原太航流量工程有限公司生产的微弯型流量计信号频率约为326Hz),易于和低频的噪声干扰区分开来。
而微弯型科氏质量流量计信号处理的难点也是明显的。一方面,较高的信号频率,在采用数字信号处理方法处理信号时,则要求用较高的采样频率采集传感器信号,算法的实时实现是关键。如上一章节针对U型科氏质量流量计(信号频率为70~120Hz)的信号处理算法,AD采样频率2KHz,DSP指令执行速度150MIPS,平均每点运算所需时间450A48(包括预处理、格型算法、DTFT算法以及后续平均);对于微弯型这种高频信号,为保证计算精度,需提高采样频率,为了实时反映流量的变化,必须在两个相邻数据的采样间隔之间,完成算法的运算;而目前的DSP芯片由于资源限制,无法实时完成这个任务。若简化目前算法,减少计算量,势必会降低计算精度。另一方面,微弯型科氏质量流量计检测管的振幅较小,两路信号的相位差更小,如U型科氏质量流量计ZUI大流量点对应的相位差约为3度,而微弯型科氏质量流量计ZUI大流量点对应的相位差约为0.5°,更加难以测量。所以,针对微弯型科氏质量流量计传感器信号,首先应该采用一种运算量较小的算法,实时实现算法;其次,在实时实现算法的前提下,实现对微小相位差的测量,保证算法的测量精度。为此,本节采用了运算量较小的基于拉格朗日差值的过零检测方法,计算科氏质量流量计传感器信号的频率及相位差。
三、面向两相流的科式质量流量计信号处理方法
用户在使用科氏质量流量计时遇到的ZUI大向题便是对于两相流的测量。科氏质量流量计对两相流,特别是气-液两相流非常敏感,这个“敏感”是指,在两相流情况下,仪表会给出一个错误的质量流量和密度的读数,甚至,流量管停止振动,无法测量。气-液两相流在石油、化工、食品罐装、治金等工业场合是常见的流体状况,其参数的准确测量很重要。
对于传统的科氏质量流量计,零星和连续的气液两相测量是一难题。一方面,两相流情况下会产生高阻尼(其阻尼比可高出单相流情况下的3个数量级),并且阻尼波动剧烈,所以传统模拟驱动方法一般在很小的含气量下就不能维持传感器振动,自然也就没有了后续的信号处理;另一方面,两相流会引入较大的流量测量误差,这个误差的成因最早是由Hemp和 Sultan提出的气泡模型( bubble model)来解释。这种模型从流量计工作的物理原理出发,分析了两相流情况下,科氏质量流量计工作带来误差的原因:当气泡进入测量管时,并不是所有的流体随管子一起振动,而是与气泡体积相同的一部分流体的运动会发生异常,产生了与测量管道相垂直的相对运动速度。而科氏质量流量计的工作原理本来就是通过测量整个惯性体的运动方向所需要的力,而来感知流体的质量流量。当整个惯性体不再统一的按照指定的方式运动,那么这部分流体的相对速度就破坏了整个测量原理。但是,气泡模型是较为简陋和静态的。这个模型可以预测两相流下流量的测量误差,并认为误差仅仅与含气量有关,且是单调的、负的误差。流量的测量误差的预测公式为
m observed - m true/m true=-2a/1-a
式中,a即为含气量。
而密度测量的误差预测公式为:
Pobserved - Ptrue/Prue=-3a
但实际的实验结果只是与这个模型总体趋势相符,还不能用来准确实现对测量结果的校正。
三种科式质量流量计的信号处理方法总结
(1)针对U型传感器,将一种具有陷波器结构的IR带通滤波器、格型自适应算法、计及负频率影响的DTFT算法相结合。算法仿真结果表明,频率计算
精度优于0.002%,相位差在[0.1°,3.0°]变化时,计算精度优于0.02%,并且整套算法具有较强的抗干扰能力。
(2)针对微弯型科氏传感器信号频率高、相位差小的的特点,采用基于拉格朗日插值的过零检测方法计算信号参数,大大缩减了算法的运算量,易于实时实现。同时,文中也探讨了这种方法在DSP上实现时精度受限的一些原因,并给予了相应有效的解决方法,保证了算法的实现精度。信号发生器测试结果表明,在叠加噪声情况下,相位差在[0.012°,3.24°]变化时,测量精度优于0.09%。
(3)对于两相流测量,文中将数字驱动方法与数字信号处理方法相结合,采用过零检测方法计算信号频率、相位,采用DDS、MDAC实现数字驱动控制给出了驱动控制中幅值、频率、相位跟踪的具体实现方法以及两相流测量的一般实验方法。