科氏流量计的信号处理方法现状及发展趋势

潘天德

摘 要：文中首先对科氏流量计的基本原理及其性能进行了介绍，然后对科氏流量计信号处理方法的现状进行了综述，最后对研究发展的趋势进行了展望。

关键词：科氏流量计；信号处理方法；频率估计；相位差估计；综述

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

0 引言

科氏流量计（Coriolis Mass Flowmeter，英文缩写为CMF），是一种基于科里奥利原理的直接式质量流量计，它可以高精度、可靠地测量流体的质量流量，其基本原理是通过测量两路传感器输出信号的频率和相位差来计算流体的质量流量的。自美国艾默生高准 （Micro Motion） 公司率先投产以来，随着科学技术的不断进步发展，其性能和规格也在不断完善，除了可用于各种常规的流体外，还可用于浆液、液化气体和压缩天然气等非常规流体，在航天、石油、化工、天然气、雷达、造纸、电力、水处理、食品和医药等领域中发挥着十分重要的作用，是当前研究较多、发展最为迅速、最具代表性的流量测量仪表之一。

1 科氏流量计的基本原理

科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表包括测量管、传感器和激振器等。二次仪表是对一次仪表输出信号进行处理的变送器。

与其它类型的流量计相比，科氏流量计具有如下一些优点：（1）可高精度直接测量质量流量，不受被测介质的物理参数影响；（2）可实现多参数测量，如密度、体积流量、温度；（3）测量范围大；（4）便于维护和保养。

2 科氏流量计信号处理方法的研究现状

传统的科氏流量计信号处理方法采用的是基于模拟电路的信号处理方式，主要存在如电路复杂，可靠性不高，稳定性不好，流体测量精度较差，且易受噪声的干扰等问题。随着科学技术和经济的发展，对科氏流量计的测量精度的要求也在不断提高，为此，国内外学者纷纷着手研究数字信号处理方法来提高流体的测量精度。其中，科氏流量计的信号处理方法也可分为频率估计方法和相位差估计方法。

目前较为常用的科氏流量计的信号处理方法有以下几种：

2.1 基于离散傅里叶变换（DFT）的方法

离散傅里叶变换（DFT）的方法是数字信号处理方法中一种传统有效的基本方法，是通过傅里叶变换得到信号的频谱，然后利用频谱特征计算相位和相位差。DFT在一定程度上能克服谐波和噪声的干扰，有利于低信噪比条件下测量频率和相位差。在DFT计算中，当非整周期采样时（即参与DFT计算的序列长度不是原信号周期的整数倍）会造成频谱泄漏现象，使得信号频率和相位的计算含有较大的误差。

首先采用DFT处理科氏流量计信号，将整个信号处理过程分为初始化、相位差测量和频率跟踪三个阶段。当非整周期采样时，DFT的计算结果不能满足仪表精度的要求，为此提出了粗测、细测和频率跟踪的思路。在频率跟踪阶段提出了一种过零采样法，然而在实际测量中，当频率变化时很难准确采集到信号的过零点，过零采样不易实现。

2.2 数字相关法

采用数字相关法来实现科氏质量流量计信号的相位差检测，其基本原理是利用两同频正弦信号的延时为零时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理得到相位差。在理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，两个信号在一个周期内的相关计算与两信号之间的相位差存在余弦关系，信号间的相位差可以由反余弦函数求出。由于科氏流量计工作时，振动信号的频率会由于外界干扰或流体特性的变化而发生改变，当参与相关计算的序列长度不是信号周期的整数倍时，相位差计算中含有误差。为此，提出了通过检测相关计算是否波动来判断求相关区域是否为整周期的方法，并提出了克服非整周期序列长度误差的算法，使计算序列尽可能接近信号周期的整数倍，从而减小相位计算误差，并进行频率跟踪。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，而该方法有很好的噪声抑制能力，能够抑制所有与参考信号不相关的各种形式噪声，但是要求对信号实行严格整周期采样，对于相关性强的干扰信号和谐波干扰，在低信噪比条件下，测量误差较大。测量精度受采样点数的大小的影响，采样点数值越大，测量越准确。该方法可以对未知频率的信号可以进行相位差测量，适合高频正弦信号相位差的测量。

2.3 基于希尔伯特（Hilbert）变换的方法

Hilbert变换法是通过分别对采集到的两路同频正弦信号及其Hilbert变换后的信号进行处理后得到关于两路信号相位角的时间函数，相减后得到相位差的时间函数。其具体的处理过程为：分别以标准正弦和余弦与采集到的信号及Hilbert变换后的信号相乘后，经过运算使采集到的信号经过处理后只是关于相位角的时间函数。对两路同频正弦信号分别利用Hilbert变换法解调得出它们的相位变化情况，相减后就可以实现相位差的动态测量。Hilbert变换解调动态信号的包络线能反映整个过程中的状态变化，有瞬态特性，但是它对计算机的速度、存储能力、计算能力和实时性均有一定要求，随着计算机和信号处理等技术的进步，将会不断克服仪器设计上的困难和提高检测精度。

2.4 基于时变信号模型的方法

用频率、幅值和相位均按照随机游动模型变化的信号来描述科氏流量传感器的输出信号。采用能跟踪频率变化的自适应格型陷波器对频率、幅值和相位均按照随机游动模型变化的科氏流量计传感器输出信号进行滤波，求其频率；采用自适应谱线增强器从含有噪声的数据中提取出信号；然后采用具有重叠窗的滑动GoertzeI算法实时计算两路信号之间的相位差和时间差，求得质量流量。仿真和测试结果表明所研究的方法是实用有效的。

3 科氏流量计信号处理的发展方向

以上各种方法是目前应用最为广泛的几种方法。DFT频谱分析方法由于抗干扰能力强、运算效率高、硬件要求较低、适用范围广等特点，得到了较为广泛的应用。但随着科学技术的不断进步，现在对于时变信号模型下的信号处理方法已是发展趋势。基于相关法、Hilbert变换法、Goertzel算法、自适应算法等将是未来的发展方向，也将得到越来越广泛的应用。

笔者认为科氏流量计信号处理方法的发展方向主要集中在以下几个方面：

（1）基于时变信号模型的科氏流量计高精度相位差估计方法研究；

（2）基于时变信号模型的科氏流量计高精度频率估计方法研究；

（3）复杂条件下科氏流量计的信号处理方法研究。