科氏流量計的信號處理方法現狀及發展趨勢

潘天德

摘 要：文中首先對科氏流量計的基本原理及其性能進行了介紹，然后對科氏流量計信號處理方法的現狀進行了綜述，最后對研究發展的趨勢進行了展望。

關鍵詞：科氏流量計；信號處理方法；頻率估計；相位差估計；綜述

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.216

0 引言

科氏流量計（Coriolis Mass Flowmeter，英文縮寫為CMF），是一種基于科里奧利原理的直接式質量流量計，它可以高精度、可靠地測量流體的質量流量，其基本原理是通過測量兩路傳感器輸出信號的頻率和相位差來計算流體的質量流量的。自美國艾默生高準 （Micro Motion） 公司率先投產以來，隨著科學技術的不斷進步發展，其性能和規格也在不斷完善，除了可用于各種常規的流體外，還可用于漿液、液化氣體和壓縮天然氣等非常規流體，在航天、石油、化工、天然氣、雷達、造紙、電力、水處理、食品和醫藥等領域中發揮著十分重要的作用，是當前研究較多、發展最為迅速、最具代表性的流量測量儀表之一。

1 科氏流量計的基本原理

科氏流量計由一次儀表和二次儀表組成。一次儀表包括測量管、傳感器和激振器等。二次儀表是對一次儀表輸出信號進行處理的變送器。

與其它類型的流量計相比，科氏流量計具有如下一些優點：（1）可高精度直接測量質量流量，不受被測介質的物理參數影響；（2）可實現多參數測量，如密度、體積流量、溫度；（3）測量范圍大；（4）便于維護和保養。

2 科氏流量計信號處理方法的研究現狀

傳統的科氏流量計信號處理方法采用的是基于模擬電路的信號處理方式，主要存在如電路復雜，可靠性不高，穩定性不好，流體測量精度較差，且易受噪聲的干擾等問題。隨著科學技術和經濟的發展，對科氏流量計的測量精度的要求也在不斷提高，為此，國內外學者紛紛著手研究數字信號處理方法來提高流體的測量精度。其中，科氏流量計的信號處理方法也可分為頻率估計方法和相位差估計方法。

目前較為常用的科氏流量計的信號處理方法有以下幾種：

2.1 基于離散傅里葉變換（DFT）的方法

離散傅里葉變換（DFT）的方法是數字信號處理方法中一種傳統有效的基本方法，是通過傅里葉變換得到信號的頻譜，然后利用頻譜特征計算相位和相位差。DFT在一定程度上能克服諧波和噪聲的干擾，有利于低信噪比條件下測量頻率和相位差。在DFT計算中，當非整周期采樣時（即參與DFT計算的序列長度不是原信號周期的整數倍）會造成頻譜泄漏現象，使得信號頻率和相位的計算含有較大的誤差。

首先采用DFT處理科氏流量計信號，將整個信號處理過程分為初始化、相位差測量和頻率跟蹤三個階段。當非整周期采樣時，DFT的計算結果不能滿足儀表精度的要求，為此提出了粗測、細測和頻率跟蹤的思路。在頻率跟蹤階段提出了一種過零采樣法，然而在實際測量中，當頻率變化時很難準確采集到信號的過零點，過零采樣不易實現。

2.2 數字相關法

采用數字相關法來實現科氏質量流量計信號的相位差檢測，其基本原理是利用兩同頻正弦信號的延時為零時的互相關函數值與其相位差的余弦值成正比的原理得到相位差。在理想情況下，噪聲和信號不相關，且噪聲之間也不相關，兩個信號在一個周期內的相關計算與兩信號之間的相位差存在余弦關系，信號間的相位差可以由反余弦函數求出。由于科氏流量計工作時，振動信號的頻率會由于外界干擾或流體特性的變化而發生改變，當參與相關計算的序列長度不是信號周期的整數倍時，相位差計算中含有誤差。為此，提出了通過檢測相關計算是否波動來判斷求相關區域是否為整周期的方法，并提出了克服非整周期序列長度誤差的算法，使計算序列盡可能接近信號周期的整數倍，從而減小相位計算誤差，并進行頻率跟蹤。由于噪聲信號通常與有效信號相關性很小，而該方法有很好的噪聲抑制能力，能夠抑制所有與參考信號不相關的各種形式噪聲，但是要求對信號實行嚴格整周期采樣，對于相關性強的干擾信號和諧波干擾，在低信噪比條件下，測量誤差較大。測量精度受采樣點數的大小的影響，采樣點數值越大，測量越準確。該方法可以對未知頻率的信號可以進行相位差測量，適合高頻正弦信號相位差的測量。

2.3 基于希爾伯特（Hilbert）變換的方法

Hilbert變換法是通過分別對采集到的兩路同頻正弦信號及其Hilbert變換后的信號進行處理后得到關于兩路信號相位角的時間函數，相減后得到相位差的時間函數。其具體的處理過程為：分別以標準正弦和余弦與采集到的信號及Hilbert變換后的信號相乘后，經過運算使采集到的信號經過處理后只是關于相位角的時間函數。對兩路同頻正弦信號分別利用Hilbert變換法解調得出它們的相位變化情況，相減后就可以實現相位差的動態測量。Hilbert變換解調動態信號的包絡線能反映整個過程中的狀態變化，有瞬態特性，但是它對計算機的速度、存儲能力、計算能力和實時性均有一定要求，隨著計算機和信號處理等技術的進步，將會不斷克服儀器設計上的困難和提高檢測精度。

2.4 基于時變信號模型的方法

用頻率、幅值和相位均按照隨機游動模型變化的信號來描述科氏流量傳感器的輸出信號。采用能跟蹤頻率變化的自適應格型陷波器對頻率、幅值和相位均按照隨機游動模型變化的科氏流量計傳感器輸出信號進行濾波，求其頻率；采用自適應譜線增強器從含有噪聲的數據中提取出信號；然后采用具有重疊窗的滑動GoertzeI算法實時計算兩路信號之間的相位差和時間差，求得質量流量。仿真和測試結果表明所研究的方法是實用有效的。

3 科氏流量計信號處理的發展方向

以上各種方法是目前應用最為廣泛的幾種方法。DFT頻譜分析方法由于抗干擾能力強、運算效率高、硬件要求較低、適用范圍廣等特點，得到了較為廣泛的應用。但隨著科學技術的不斷進步，現在對于時變信號模型下的信號處理方法已是發展趨勢。基于相關法、Hilbert變換法、Goertzel算法、自適應算法等將是未來的發展方向，也將得到越來越廣泛的應用。

筆者認為科氏流量計信號處理方法的發展方向主要集中在以下幾個方面：

（1）基于時變信號模型的科氏流量計高精度相位差估計方法研究；

（2）基于時變信號模型的科氏流量計高精度頻率估計方法研究；

（3）復雜條件下科氏流量計的信號處理方法研究。