科氏流且计的设计开发

1万 · 2019-5-16 11:36

流量成为现如今工业生产中不可或缺的物理量之一，经常需要对其进行测量和控
制。在越来越重视能效与环保的今天，流量的测量越发的重要，例如在化工生产中原
料的进料量的准确测量与控制对产率有很大的影响，所以准确而可靠的测量流量越来
越引起重视。
科氏流量计利用科里奥利原理，能够高精度地对流体质量流量进行直接测量而得
到广泛应用。另外，因其稳定性好，量程比大等优点，如今己经在诸多领域如石化、
热电等行业中得到了广泛应用，是如今研究做多，发展快速，得到广泛应用的测量仪
表之一}t}。通过测量科氏流量计传感器的两路输出信号的相位差信息，可以计算得到
对应的质量流量，相位差的测量处理方法决定了测量流量的精度。

1万 · 2019-5-16 11:37

科氏流量计的测量原理是当流体经过流量管时会产生与流量成正比的科里奥利
力，据此可计算得流体流量质量I21。科氏流量计一般由传感器和变送器两部分组成。
其中传感器包括流量管、驱动线圈、热电阻以及整个传感器外壳。而变送器则是处理
传感器产生的信号，由处理器计算出相应的流量、密度、体积等信息并传输到上位机
上，同时上位机发送指令对变送器计算过程中的参数信息进行修改。
流量管可以U形、直行等形状，是敏感器件，不管形状如何，其基本原理相同。
本课题使用的形状是U形管，下面以U形管为例来说明工作原理。如图1-1所示。

1万 · 2019-5-16 11:38

起始时，变送器将电压信号给流量管内的驱动线圈，此时，流量管会做周期性的
往复运动。若变送器给的激励信号和流量管的固定频率一致，则对应的振动幅度会达
到最大。若此时有流体经过U形管时，会产生科氏力效应，使得振动情况发生扭曲，
相对应的线圈输出信号会产生两路相位不同的正弦信号，同时相位差则反映着流经流
量管的质量流量，经过变送器中的数字信号处理，可计算得到流量信息。不同的流体
对应着不同的固定频率，可以通过信号频率特性来判断流介质密度。
如图1-Z所示，当有流体流入流量管时，会由于流体惯性阻碍运动趋势，进而产
生与旋转方向相反的科里奥利力，流经顶端时，则会同样因为惯性产生与旋转方向相
同的力，进而使得流量管的形状会发生扭曲现象。

1万 · 2019-5-16 11:38

1万 · 2019-5-16 11:38

1万 · 2019-5-16 11:39

有关相位差检测方法，传统检测方法基本都是基于模拟检测原理，有二极管鉴相
法、过零检测法、脉冲计数法。这些检测方法的检测系统复杂，由于这些均是基于模
拟测量原理，硬件成本高，带来的干扰因素较多，抗干扰能力差，进而导致检测准确
度比较难提高。随着计算机技术和数字信号处理技术的快速发展，开始采用基于数据
采集和软件计算形结合的方法来对相位差进行测量。下面介绍几种国内外常用的检测
方法。
(1)基于过零点比较的处理方法
过零点比较法是测量两路信号相位差比较普遍的一种测量方法。该检测方法的主
要原理为结合信号的特征信息获取信号的过零点时刻，然后通过比较计算得到两路信
号的过零点时刻的时间差，则可根据时间差信息得到相位差。
这种检测方法在比较理想的情况下测得的结果比较准确，倘若考虑噪声等因素所
带来的影响时，信号的零点时刻可能会因此发生偏移，使得测量结果受到影响。需要
通过提高信号的采样频率和信号的幅度来提高信号测量的精度，这样会增加硬件系统
的成本。经过AID采集后量化的模拟信号会受到分辨率的影响，造成的结果可能会使
得采样信号在零点附近的采样值均为0。在这种情况，采样频率较高或者被采信号的
幅度过小时，信号零点附近的采样点可能会出现连续多个采样值为0的情况，这样就
不可避免的给测量结果带来误差，所以该种测量方法的精确度不会达到很高。

1万 · 2019-5-16 11:40

1万 · 2019-5-16 11:41

现如今数字信号处理技术不断地被运用在各种检测领域中，在科氏流量计研究中
也同样有很多国内外研究机构和高校利用数字信号处理的方法来提升流量计的测量
精度，并且在多年的研究过程中取得了很多成果。但是国产的科氏流量计和国外相比，
无论是精度还是准确度均存在着很大差距。
段国和It2l等为了提高DFT的计算精度，提出了对传感器的输出信号进行函数插
值，己解决信号周期采样的问题，并且指出随着采样频率的提高，线性插值的误差逐
渐减小，当采样频率较高时可以用线性插值替代样条插值等非线性插值方法。
牛鹏辉Its】等提出一种针对时变信号的处理方法，而科氏流量计传感器的输出信号
特征为时变信号。该方法通过重叠的短矩形窗口实现对过滤波后的信号的截取，使用
DFTF的方法来实现对相位差的测量工作，由于忽略了负频率的影响，使得该算法收
敛快，能够很好的实现对信号相位差的实时测量工作，有效提升了流量的测量精度。
在2006年美国艾默生公司为了进一步提升科氏流量计测量精度，提出了新一代
的多变量数字信号处理技术，该技术使得变送器的测量流量的精度更高，响应速度更
快。
对于科氏流量计来说，若直接对A/D采集的信号进行相关处理，其时间分辨率
仅为采样周期，分辨率不是不高;为了提高相应的时间分辨率以及之后的测量精度，
则需要对传感器的两路信号进行相应的函数插值，然后对插值后的信号进行流量计算
测量工作。比较常见的差之方法为，在信号的相邻采样点进行补零操作，然后进一步
对信号进行适当的滤波处理，这样会使得测量的精度有所提升f tol0
陈永红【ts}指出线性插值的方法以获得更加精确的相位差，该方法就是利用正弦信
号在过零点附近段近似线性的这一特点。在科氏流量计信号处理中增加线性插值的处
理方法，即在得到传感器信号零点时刻时，在其零点附近插入若干点，以获取更加准
确的时间差，从而提升测量精度。

1万 · 2019-5-16 11:44

相关函数表示着两个波形之间的相似程度，从中能够观察到相关信号的波形特
征。正因此，相关函数被广泛地运用在信号区分和比较当中。基于相关函数的分析在
很多的领域得到广泛的应用，并取得突出的成就。Poonam Bansal等人研究了基于自
相关特征提取的语音识别功能，以及Kazuhiro Hoshino等人研究了基于自相关技术的
图像传感器噪声监测和降噪处理等。
相关函数表示着两个波形之间的相似程度，从中能够观察到相关信号的波形特
征。正因此，相关函数被广泛地运用在信号区分和比较当中。基于相关函数的分析在
很多的领域得到广泛的应用，并取得突出的成就。Poonam Bansal等人研究了基于自
相关特征提取的语音识别功能，以及Kazuhiro Hoshino等人研究了基于自相关技术的
图像传感器噪声监测和降噪处理等。

1万 · 2019-5-16 11:45

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1万 · 2019-5-16 11:46

1万 · 2019-5-16 11:46

在实际的工作环境下，流量计信号中必然会夹杂着高次谐波信号以及各种噪声信
号，这些信号一定程度上会影响流量测量的精度，使得计算得到的流量误差增加。因
此，需要在对流量计算之前，需要对信号进行滤波处理，将其中的高次谐波和噪声信
号去除掉。目前数字信号处理技术得到不断的发展，并且被广泛的运用在各个领域。
在涟波处理方面，更多地使用数字滤波算法，这种方法比模拟滤波方法的精度高、温
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
}2}-is}
常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
}2}-is}
常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
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常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
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常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
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常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
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常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。
度好，同时不用要求阻抗匹配以及有些特殊的滤波功能是模拟滤波方法无法实现的
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常用到的数字滤波器有切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器。前两种
滤波器的阻带衰减是单调的，倘若能够将在阻带上的衰减均匀分布，则其滤波性能能
够得到改善。相比之下，椭圆滤波器的通带和阻带均为等纹波逼近方式，在滤波阶数
一定的情况下是最好的逼近方式。在滤波效果相近的情况下，滤波阶数越少，其对应
的过渡带也就越窄。本文中用数字椭圆滤波算法来实现对流量信号的滤波处理。

1万 · 2019-5-16 11:47

不好意思……网速太慢了

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根据流量计的功能需求，本文设计了科氏流量计变送器。该变送器以FPGA和
STM32为核心。FPGA主要功能为驱动传感器和对管道流量的计算;STM32主要功
能为根据FPGA的处理结果计算质量流量、体积流量等信息，控制液晶显示以及与上
位机进行基于Modbus的通讯工作。