專利名稱：用于振動導(dǎo)管傳感器信號的多速率數(shù)字信號處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在測量流經(jīng)其中至少一個振動導(dǎo)管的物質(zhì)的特性的裝置上的信號處理器。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣的數(shù)字信號處理器，它執(zhí)行計算、從而確定從測量導(dǎo)管振動頻率的拾取傳感器接收信號的頻率。
問題眾所周知，利用科里奧利效應(yīng)質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量和關(guān)于流經(jīng)流量計中導(dǎo)管的物質(zhì)的其他信息。在分別于1978年8月29日、1985年1月1日和1982年2月11日均授予J.E.Smith等人的美國專利第4109524號、第4491025號以及再頒布號31450中公開了實例科里奧利流量計。這些流量計具有直的或彎結(jié)構(gòu)的一條或一條以上的導(dǎo)管?？评飱W利質(zhì)量流量計中的每種導(dǎo)管結(jié)構(gòu)具有一組固有振動模式、所述模式可能是單純彎曲、扭轉(zhuǎn)或者互耦型的。驅(qū)動每個導(dǎo)管以這些固有模式之一的共振方式振動。物質(zhì)從流量計的入口側(cè)上連接的管道流入流量計，穿過一條導(dǎo)管或多條導(dǎo)管，以及通過流量計的出口側(cè)流出流量計。振動的物質(zhì)填充系統(tǒng)的固有振動模式部分地由導(dǎo)管與流入導(dǎo)管的物質(zhì)合起來的質(zhì)量決定。
當沒有經(jīng)過流量計的流量時，由于外加的驅(qū)動力而導(dǎo)致沿導(dǎo)管的所有點以一致的相位或者可校正的小的初始固定相位偏移而振動。隨著物質(zhì)開始流動，科里奧利力導(dǎo)致沿著導(dǎo)管的各點具有不同的相位。導(dǎo)管的入口側(cè)的相位滯后于激勵器，而導(dǎo)管的出口側(cè)的相位超前于激勵器。在導(dǎo)管上設(shè)置拾取傳感器、以便產(chǎn)生表示導(dǎo)管運動的正弦信號。處理從拾取傳感器輸出的信號，以便確定拾取傳感器之間的相位差。兩個拾取傳感器信號之間的相位差與經(jīng)過導(dǎo)管的物質(zhì)的質(zhì)量流率成正比。
科里奧利流量計具有產(chǎn)生驅(qū)動信號以操縱激勵器并且根據(jù)從拾取傳感器接收的信號來確定物質(zhì)的質(zhì)量流率和其他特性的發(fā)射器。傳統(tǒng)的發(fā)射器是由模擬電路構(gòu)成的，該電路被設(shè)計成產(chǎn)生驅(qū)動信號并且檢測來自拾取傳感器的信號。模擬發(fā)射器這些年來已得到優(yōu)化，并且制造起來已變得相對便宜。因此，最好設(shè)計能夠利用傳統(tǒng)發(fā)射器的科里奧利流量計。
傳統(tǒng)發(fā)射器必須與窄工作頻率范圍的信號一起工作，這是個問題。這種工作頻率范圍一般在20Hz與200Hz之間。這使設(shè)計者受到這種窄工作頻率范圍的限制。而且，窄工作頻率范圍使得不可能把傳統(tǒng)發(fā)射器用于某些流量計、如工作在300-800Hz的更高頻率范圍的直管流量計。工作在300-800Hz的直管流量計往往表現(xiàn)出對用來測量質(zhì)量流率的科里奧利效應(yīng)的較小的敏感性。因此，需要對拾取裝置之間的相位差進行更精細的測量、以便計算質(zhì)量流率。
為了在工作于若干不同頻率下的若干不同的科里奧利流量計的設(shè)計上使用一種類型的發(fā)射器，科里奧利流量計的制造商已發(fā)現(xiàn)，最好使用數(shù)字信號處理器來產(chǎn)生驅(qū)動信號和處理從拾取傳感器接收的信號。數(shù)字信號處理器是所需要的，因為通過使來自拾取裝置的信號以及發(fā)射器接收的信號數(shù)字化，避免了工作在更高頻率下的流量計、如直管設(shè)計對模擬電子元件的測量分辨率和精度的較高要求。此外，可以修改數(shù)字處理器所用的信號處理指令，以使其工作在若干不同頻率上。
但是，與傳統(tǒng)的模擬電路發(fā)射器相比，數(shù)字信號處理器具有幾個缺點。關(guān)于數(shù)字信號處理器的第一個問題是，數(shù)字處理器生產(chǎn)成本更高，因為電路更加復(fù)雜。其次，數(shù)字信號處理器需要具有更大表面積的電路板，若在流量計設(shè)計中空間非常寶貴，這就可能導(dǎo)致問題。第三，數(shù)字信號處理器需要比模擬電路更多的功率來驅(qū)動。當處理器必須工作在最大時鐘頻率下、以便提供處理信號和產(chǎn)生物質(zhì)特性測量值、如質(zhì)量流量所需的所有計算時，功耗尤其成問題。由于所有這些原因，所以本領(lǐng)域中需要這樣的數(shù)字信號處理器，它適合于若干流量計設(shè)計，生產(chǎn)成本低，并且減小了執(zhí)行所需計算所必需的功率量。
解決方案通過提供本發(fā)明的多速率數(shù)字信號處理器，解決以上及其他問題，并在本技術(shù)領(lǐng)域中取得進展。本發(fā)明包括存儲在存儲器中并且由處理器執(zhí)行、用以處理從振動導(dǎo)管上的拾取裝置接收的信號的處理程序。本發(fā)明的處理程序提供許多優(yōu)點，使得在許多類型的科里奧利流量計中使用單一類型的數(shù)字信號處理器是可行的。
本發(fā)明的處理程序的第一個優(yōu)點是，盡管使用有限算法來代替浮點運算，但這些處理程序不會損失精確度。本發(fā)明的處理程序的第二個優(yōu)點是，可以在任何數(shù)目的低成本、低功耗數(shù)字信號處理器、諸如Texas Instruments的TM3205xx、Analog Devices的ADSP21xx、或Motorola的5306x上實現(xiàn)這些處理程序。本發(fā)明的處理程序所用的指令小到足以駐留在數(shù)字信號處理器的內(nèi)存中，這免除了對快速存取外部存儲器的需要，后者會增加成本、功耗以及發(fā)射器所用的電路板空間。所述處理程序具有少數(shù)計算構(gòu)造，這提高了處理程序在低成本處理器之間的可移植性。
第三個優(yōu)點是這些處理程序的計算需要量被減至最少。這種計算需要量的減少使數(shù)字信號處理器可以工作在低于處理器最大時鐘頻率的時鐘頻率下，這降低了處理器的功耗。
執(zhí)行本發(fā)明的處理程序的發(fā)射器具有以下電子元件。模-數(shù)(“A/D”)轉(zhuǎn)換器接收來自安裝在傳感器上的拾取裝置的模擬信號。把轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號加至標準數(shù)字處理器上。數(shù)字處理器是執(zhí)行機器可讀指令的處理裝置，所述指令存儲在經(jīng)總線連接到該處理器的存儲器中。典型的數(shù)字處理器具有存儲用于執(zhí)行所需處理程序、如本發(fā)明的處理程序的指令的只讀存儲器(ROM)。處理器還連接到隨機存取存儲器，后者存儲用于當前執(zhí)行的處理程序的指令和執(zhí)行該處理程序所需的數(shù)據(jù)。處理器還可產(chǎn)生用于科里奧利流量計的驅(qū)動信號。為了把驅(qū)動信號加在驅(qū)動系統(tǒng)上，數(shù)字處理器可連接到數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換器，后者接收來自該處理器的數(shù)字信號并且把模擬信號加在驅(qū)動系統(tǒng)上。
本發(fā)明的處理程序?qū)崿F(xiàn)以下功能，從而確定從拾取傳感器接收的信號的頻率以及各信號間的相位差。首先，以第一抽樣率從拾取傳感器接收信號。抽樣率是從拾取裝置接收的輸入信號量，用來表示來自拾取裝置的信號的特征。然后將這些信號從第一抽樣率到所需抽樣率進行抽選。抽選是簡單地把第一數(shù)目的樣值轉(zhuǎn)換成較少數(shù)目的樣值。執(zhí)行抽選以提高抽樣信號的分辨率，從而提供對每個信號的更精確的信號頻率的計算。然后確定每個信號的頻率。
為了對具有不同頻率的不同流量計使用同一處理程序，還可執(zhí)行以下步驟。計算流量計的振動頻率的估算值。然后用估算的頻率把來自各拾取裝置的信號解調(diào)成I(同相)分量和Q(正交)分量。如果信號的工作頻率高于轉(zhuǎn)換頻率，則用I分量和Q分量把信號轉(zhuǎn)換到中心頻率上。在解調(diào)后，可把信號再次抽選，從而再次提高信號的分辨率。
信號的主要頻率被隔離和精確測量。然后對信號的I分量和Q分量計算到零頻率的變換。此時，各個分量可再次被抽選以提高測量的精確度。此時，可以通過適當?shù)牡屯V波，使每個信號的頻帶按照需要變窄。然后執(zhí)行復(fù)相關(guān)，確定信號之間的相位差。
按照本發(fā)明，本發(fā)明的一個方面是這樣一種方法以下列方式、使用數(shù)字信號處理器、處理從測量導(dǎo)管振動的第一拾取傳感器和第二拾取傳感器接收的信號、輸出關(guān)于流經(jīng)所述導(dǎo)管的物質(zhì)的信息。處理器以第一抽樣率接收來自第一拾取傳感器和第二拾取傳感器的信號的樣值。將所述樣值從第一抽樣率抽選到所需的抽樣率。第一拾取裝置和第二拾取裝置處的導(dǎo)管的振動頻率來自所需抽樣率下的信號樣值。
本發(fā)明的另一方面是對來自第一拾取傳感器和第二拾取傳感器的信號進行解調(diào)，從而把信號變換到中心頻率。
本發(fā)明的另一方面是計算信號的歸一化頻率。
本發(fā)明的另一方面是以下列方式執(zhí)行解調(diào)步驟。計算信號的歸一化頻率的歸一化角頻率。計算歸一化角頻率與來自第一拾取裝置和所述第二拾取裝置的信號的點積，從而把信號變換到中心頻率。
本發(fā)明的另一方面是以下列方式執(zhí)行計算歸一化頻率的步驟。把信號多路分用為I分量和Q分量。求I分量的積分，求Q分量的積分。將I分量和Q分量多路復(fù)用，從而產(chǎn)生數(shù)字積分的信號。計算信號的振幅與數(shù)字積分的信號的振幅之比，得出信號的歸一化頻率。
本發(fā)明的另一方面是，通過響應(yīng)積分步驟并且在復(fù)用步驟之前、把積分后的Q分量加在補償器上來執(zhí)行計算信號的歸一化頻率的步驟。
本發(fā)明的另一方面是，通過響應(yīng)積分步驟并且在復(fù)用步驟之前、把積分后的I分量加在補償器上來計算歸一化頻率的步驟。
本發(fā)明的另一方面是以下列方式執(zhí)行確定導(dǎo)管的振動頻率的步驟。確定信號的歸一化頻率。然后對信號的歸一化頻率進行調(diào)制。用調(diào)制后的歸一化頻率執(zhí)行信號的復(fù)合解調(diào)，從而確定所述頻率。
本發(fā)明的另一方面是以下列方式執(zhí)行確定導(dǎo)管的振動頻率的步驟。將解調(diào)信號抽選。執(zhí)行信號的復(fù)相關(guān)、以便確定信號之間的相位差。
本發(fā)明的另一方面是確定來自第一拾取傳感器的信號與來自第二拾取傳感器的信號之間的相位差。
本發(fā)明的另一方面是響應(yīng)確定來自第一拾取裝置的信號和來自第二拾取裝置的信號的頻率、確定流經(jīng)導(dǎo)管的物質(zhì)的特性。
本發(fā)明的另一方面是，所述特性之一是流經(jīng)導(dǎo)管的物質(zhì)的質(zhì)量流率。
本發(fā)明的另一方面是，所述特性之一是密度。
本發(fā)明的另一方面是，以下列方式執(zhí)行對來自第一拾取裝置的信號和來自第二拾取裝置的信號抽選的步驟。如所執(zhí)行的初步抽選，響應(yīng)接收來自第一和第二拾取裝置的信號、把信號從第一抽樣率變?yōu)橹虚g抽樣率。
本發(fā)明的另一方面是以下列方式執(zhí)行抽選。把信號解調(diào)為I分量和Q分量。響應(yīng)對信號的解調(diào)，執(zhí)行第二次抽選，把信號樣值的I分量和Q分量從中間抽樣率變?yōu)樽罱K抽樣率。
附圖描述從以下詳細描述和以下附圖中可以理解本發(fā)明，在圖中

圖1說明具有執(zhí)行本發(fā)明的多速率拾取信號處理的數(shù)字發(fā)射器的科里奧利流量計；圖2說明數(shù)字信號發(fā)射器的框圖；圖3說明數(shù)字發(fā)射器所執(zhí)行的操作的流程圖；圖4說明根據(jù)從拾取傳感器接收的信號產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理的流程圖；圖5說明對來自拾取裝置的信號樣值執(zhí)行抽選的處理；圖6說明計算從拾取裝置接收的信號的估算頻率的處理；圖7說明對所接收的信號進行高低頻選擇的處理；圖8說明對接收的信號進行解調(diào)的處理；以及圖9說明根據(jù)所接收的信號、確定關(guān)于測流管振動的數(shù)據(jù)的方法。
詳細描述科里奧利流量計-圖1圖1示出科里奧利流量計5，它包括科里奧利流量計組件10和發(fā)射器20。發(fā)射器20經(jīng)導(dǎo)線100與流量計組件10連接，以便經(jīng)由通道26提供密度、質(zhì)量流率、體積流率、溫度、總計質(zhì)量流量和增強密度。雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白本發(fā)明可以結(jié)合任何具有測量物質(zhì)特性的振動導(dǎo)管的裝置來實施，但此處描述科里奧利流量計結(jié)構(gòu)。這種裝置的第二實例是不具有科里奧利質(zhì)量流量計所提供的附加測量功能的振管密度計。
流量表組件10包括一對法蘭101和101’、歧管102以及導(dǎo)管103A和103B。激勵器104以及拾取傳感器105和105’連接至導(dǎo)管103A-B。撐板106和106’用來定義軸W和W’，各個導(dǎo)管在這些軸附近振動。
當把流量計10插入輸送正被測量的加工材料的管道系統(tǒng)(未示出)時，這些物質(zhì)經(jīng)過法蘭101進入流量計組件10，穿過歧管102，在其中物質(zhì)被引導(dǎo)進入導(dǎo)管103A和103B，流經(jīng)導(dǎo)管103A和103B，并流回歧管102中，從這里經(jīng)過法蘭101’流出流量計組件10。
選擇導(dǎo)管103A和103B并將其適當?shù)匕惭b在歧管102上，使得分別相對于W-W和W’-W’彎軸具有基本相同的質(zhì)量分布、慣性矩和彈性系數(shù)。這些導(dǎo)管以基本平行的方式從歧管向外延伸。
導(dǎo)管103A-103B被激勵器104以相對于它們各自的彎軸W和W’、相反的方向和流量計的第一不同相彎曲模式驅(qū)動。激勵器104可包括許多常見裝置中的任何一種，如安裝在導(dǎo)管103A上的磁體和安裝在導(dǎo)管103B上的反作用線圈，交變電流流過該線圈，以便振動兩個導(dǎo)管。由儀表電子裝置20經(jīng)過導(dǎo)線110將適當?shù)尿?qū)動信號加在激勵器104上。
發(fā)射器20接收分別出現(xiàn)在導(dǎo)線111和111’上的左右速度信號。發(fā)射器20產(chǎn)生出現(xiàn)在導(dǎo)線110上并導(dǎo)致激勵器104振動管103A和103B的驅(qū)動信號。發(fā)射器20處理左右速度信號，從而計算流過流量計組件10的物質(zhì)的質(zhì)量流率和密度。把此信息加到通道26上。
本專業(yè)的技術(shù)人員都知道，科里奧利流量計5在結(jié)構(gòu)上與振管密度計非常相似。振管密度計也是利用其中有液體流過的振管，或者若是樣本型密度計，則利用其中保留液體的振管。振管密度計也利用激勵系統(tǒng)激發(fā)導(dǎo)管振動。振管密度計通常僅利用單一反饋信號，因為密度測量僅要求測量頻率，而無需測量相位。此處本發(fā)明的描述同樣適用于振管密度計。
數(shù)字發(fā)射器20-圖2圖2說明數(shù)字發(fā)射器20的各元件。通道111和111’把左右速度信號從流量計組件10發(fā)送到發(fā)射器20。儀表電子裝置20的模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器203接收速度信號。A/D轉(zhuǎn)換器203把左右速度信號轉(zhuǎn)換成處理裝置201可用的數(shù)字信號并且把數(shù)字信號經(jīng)通道210-210’發(fā)送出去。盡管表示成分立元件，但是A/D轉(zhuǎn)換器203可以是單個轉(zhuǎn)換器、如AK4516 16位編解碼器芯片，后者提供2個轉(zhuǎn)換器，以便同時轉(zhuǎn)換來自兩個拾取裝置的信號。由通道210-210’把數(shù)字信號送到處理器201。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認識到，任何數(shù)目的拾取裝置和其他檢測器、如用于確定測流管溫度的RTD(電阻式溫度檢測器)檢測器可以連接到處理器201。
驅(qū)動信號經(jīng)通道212發(fā)送，后者把信號加在數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換器202上。D/A轉(zhuǎn)換器202是普通的D/A轉(zhuǎn)換器，它可以是分立的D/A轉(zhuǎn)換器或者集成在立體聲編解碼器芯片、如標準AKM4516中。另一種常見的D/A轉(zhuǎn)換器202是AD7943芯片。經(jīng)通道291把來自D/A轉(zhuǎn)換器202的模擬信號發(fā)送到驅(qū)動電路290。驅(qū)動電路291則經(jīng)由通道110把驅(qū)動信號加在激勵器104上。通道26把信號送到輸入和輸出裝置(未示出)，后者使發(fā)射器20能夠從操作者那里接收數(shù)據(jù)以及把數(shù)據(jù)傳達給操作者。
處理裝置201是微處理器、處理器或者處理器組，它從存儲器中讀取指令，并且執(zhí)行指令來實現(xiàn)流量計的各種功能。在最佳實施例中，處理器201是由Analog Devices制造的ADSP-2185L微處理器。實現(xiàn)的功能包括但不限于計算物質(zhì)的質(zhì)量流率、計算物質(zhì)的體積流率、以及計算物質(zhì)的密度，這些功能可以指令的形式存儲在只讀存儲器(ROM)220中。數(shù)據(jù)以及用于實現(xiàn)各種功能的指令存儲在隨機存取存儲器(RAM)230中。處理器201經(jīng)由通道231執(zhí)行RAM存儲器230中的讀和寫操作。
數(shù)字發(fā)射器20所執(zhí)行的操作的概述-圖3圖3是操縱科里奧利流量計5的數(shù)字發(fā)射器20所執(zhí)行的功能的概述。在步驟301中，處理程序300以發(fā)射器20產(chǎn)生驅(qū)動信號開始。然后把驅(qū)動信號經(jīng)通道110加在激勵器104上。在步驟302中，數(shù)字發(fā)射器20從拾取裝置105和105’接收信號，所述拾取裝置對物質(zhì)經(jīng)過測流管103A-B時所述測流管103A-B的振動作出響應(yīng)。在步驟303中，由數(shù)字發(fā)射器20處理關(guān)于信號的數(shù)據(jù)、如信號頻率和信號間的相位差。然后，在步驟304中，根據(jù)所述數(shù)據(jù)計算關(guān)于流經(jīng)測流管103A和103B的物質(zhì)的特性的信息、如質(zhì)量流率、密度以及體積流率。只要科里奧利流量計5在管道內(nèi)工作，就重復(fù)處理程序300。
按照本發(fā)明、產(chǎn)生關(guān)于拾取信號的數(shù)據(jù)的處理程序—圖4圖4說明處理程序400，它是產(chǎn)生有關(guān)從拾取裝置105和105’接收的信號的數(shù)據(jù)、這種信號頻率的處理程序，所述拾取裝置105和105’測量科里奧利流量計5中測流管103A-B的振動。當用于數(shù)字發(fā)射器20時，處理程序400提供幾個優(yōu)點。處理程序400的第一個優(yōu)點是，盡管使用有限點算法代替浮點運算，但是沒有精度損失。這使得低成本、低功率處理器、如Texas Instrument制造的TMS3205xxx、Analog Devices制造的ADSP21xx、Motorola Inc.制造的5306x是可用的。第二個優(yōu)點是，用于處理程序400的指令的存儲要求小到足以駐留在處理器的內(nèi)存中，這消除了對處理器與內(nèi)存之間的高速總線的需求。處理程序400還降低了計算需要量，這使處理器能工作在顯著小于其最大時鐘頻率的狀態(tài)下。
在步驟401中開始處理程序400，其中把從拾取裝置接收的信號的抽樣率從第一抽樣率抽選成第二個較小的抽樣率。在最佳實施例中，把信號從48kHz的第一抽樣率抽選為4kHz的第二抽樣率。抽樣率的抽選提高了信號的分辨率，正如以下圖5中所描述的，這提高了計算的精度。在最佳實施例中，抽樣率從48kHz減小到4kHz把信號的分辨率從B位提高到B+1.79位。
在步驟402中，根據(jù)抽樣信號來計算信號頻率的估算值。圖6中提供了計算估算信號頻率的最佳處理。然后在步驟403中，用估算的信號頻率來對接收的信號進行解調(diào)。圖7和8中給出對數(shù)字信號進行解調(diào)的處理。在步驟404中執(zhí)行抽樣信號的第二次抽選。第二次抽選把信號樣值從第二抽樣率減小到第三抽樣率，從而提高抽樣信號的分辨率。在最佳實施例中，把4kHz的抽樣率減小到800Hz的抽樣率，這把分辨率提高到B+2.95位。這種減小是以與步驟401中的抽選同樣的方式執(zhí)行的。
在步驟404中第二次抽選之后，根據(jù)接收的信號進行計算。這是作為圖9中所示處理的一部分來執(zhí)行的。在已去除噪聲后，在步驟405中確定來自每個拾取裝置的信號的頻率。在步驟406中，確定來自第一拾取裝置的信號與來自第二拾取裝置的信號之間的相位差。在步驟407中確定各信號的振幅。然后，或者只要流量計在工作、就重復(fù)處理程序400，或者處理程序400結(jié)束。
用于對來自拾取裝置的信號的抽樣率進行抽選的處理程序-圖5圖5說明對從拾取裝置接收的樣值的抽樣率進行抽選的處理程序。對于在各個步驟401、404中執(zhí)行的抽選，以及在確定信號頻率的處理中，使用同一處理。在這些步驟的每一個中，對來自各拾取裝置的信號單獨執(zhí)行處理500。各步驟中執(zhí)行的抽選之間差別是輸入數(shù)據(jù)向量的長度，如下所述。
處理500中所描述的抽選是用塊處理法來實現(xiàn)的，輸入向量的大小等于抽選率。抽選率是抽樣頻率通過抽選而減小的量。使用這種塊處理法在工作上是有利的，因為該處理必須以輸出數(shù)據(jù)率而不是輸入數(shù)據(jù)率重復(fù)。遞歸塊濾波的原則是，信號的狀態(tài)變量表達式為xk+1＝A*xk+B*uk；yk＝C*xk+D*uk；其中A、B、C、D＝表示系統(tǒng)狀態(tài)的矩陣；xk＝在時間k的N+1狀態(tài)向量；uk＝輸入；以及yk＝代表抽選后的信號的輸出。根據(jù)歸納，顯然 當把信號按因子M抽選時，僅每隔M-1個樣值保留一個樣值。因此，可以消去上述矩陣中除最后的輸出行以外的所有行，得到以下等式 從以上顯而易見，對于上述等式的一次遞歸，累加/乘法操作的次數(shù)為NMAC＝(N+1)*(N+M)其中NMAC＝累加/乘法操作的次數(shù)；
N＝矩陣的階數(shù)；以及M＝等于處理的抽選率的塊的大小。因此，用于執(zhí)行抽選的計算負荷為Rsvd＝Fout*NMAC其中Rsvd＝處理器上的計算負荷；以及Fout＝表示濾波器輸出率。執(zhí)行抽選所需要的存儲器如下存儲每個濾波器系數(shù)的存儲器，它可能是只讀存儲器(ROM)；存儲濾波器狀態(tài)向量xk的存儲器，它必須是讀-寫存儲器(RAM)；以及輸入塊緩沖存儲器(讀-寫)。
圖5說明使用上述塊處理方法的抽選處理。在步驟501中，通過接收m個樣值到緩沖器中從而產(chǎn)生輸入塊來開始處理程序500。然后在步驟502中把輸入塊乘以狀態(tài)向量。在步驟503中，輸出每隔m-1個樣值輸出1個樣值的操作結(jié)果、供其他計算使用。在步驟503之后，處理程序500結(jié)束。
估算所接收信號的頻率的處理-圖6處理600是用來估算所接收信號的頻率、以便在后續(xù)處理步驟中對信號進行解調(diào)的處理。處理600必須在能對信號進行解調(diào)之前的步驟403中完成。隨后的解調(diào)在下文中描述并且示于圖7中。
用于估算信號頻率的處理600示于圖6中。該處理600是對所接收的信號中任何一個執(zhí)行的。在步驟601，處理600開始，把抽樣的數(shù)字信號解調(diào)成同相(I)分量和quadirature(Q)分量。然后在步驟602中，對信號的I分量和Q分量進行數(shù)字積分。在步驟603，對積分的信號計算信號補償值。然后在步驟604，對所述信號分量進行多路復(fù)用以產(chǎn)生數(shù)字積分的信號。然后在步驟605，計算原始信號與數(shù)字積分信號之比。該比值提供了信號頻率的估算值，在處理700中可用其對信號進行解調(diào)。
處理600使用固定系數(shù)濾波器來估算頻率。因此，不需要遞歸算法。因為不使用遞歸，所以處理600總是收斂的。此外，處理600快速跟蹤頻率變化。在處理600結(jié)束時估算的頻率由以下等式給出Fest＝(ωest/2∏)×(Fs/12)其中Fest＝估算頻率；ωest＝歸一化角頻率；以及Fs＝抽樣頻率；高低選頻器的處理-圖8圖8中所示處理800，可在頻率估算與信號解調(diào)之間進行的任選處理。需要高低選頻器來確定所關(guān)注的頻率。精確測量信號頻率的處理1000(見圖9)在歸一化頻率范圍中表現(xiàn)出估算值偏差和較慢的收斂速度|Fo|≤0.05∪|Fo|＞0.45其中Fo＝信號的歸一化頻率。從此式中顯而易見，當抽樣率為4kHz而所測量信號的頻率低到20Hz時，確定頻率的處理是不精確的。處理800修正了這種情況，使處理1000可以在大頻率范圍上使用。這是這樣實現(xiàn)的以下列方式確定處理是否會在高或低頻模式下工作。在步驟801中，通過確定估算頻率是否小于或等于參考頻率來開始處理800。在最佳實施例中，參考頻率選擇在250Hz。選擇250Hz是因為它是介于常規(guī)測流管與直測流管的正常工作頻率之間的頻率。
如果實際估算頻率低于參考頻率，則返回零估算頻率。如果實際估算頻率大于參考頻率，則計算估算頻率為實際估算頻率減去120Hz。
對所接收信號進行解調(diào)的處理-圖7
圖7說明用于對所接收的數(shù)字信號進行解調(diào)的處理700。此處理使用或者在處理600(圖6)或者在處理800(圖8)中計算的估算頻率。在步驟701中，處理700開始，計算歸一化角頻率，它由下列等式來表示ωd＝2∏(12Fd)/Fs其中ωd＝歸一化角頻率；Fd＝估算頻率；以及Fs＝抽樣頻率。在步驟701中按照以下等式計算實值“旋轉(zhuǎn)”因子Wk＝cos(ωdk)以及xβ＝Aβcos(ωok+φβ)其中β＝從拾取傳感器中任何一個接收的信號。在步驟702中按以下等式計算‘旋轉(zhuǎn)因子’與實際接收的信號的點積yβ＝Wkxβ(k)＝(Ab/2){cos[(ω+ωd)k+φ]+cos[(ω-ωd)k+φ]}應(yīng)當注意，如果處理800服從低頻模式、即估算頻率等于零的低模式，則yβ(k)＝xβ(k)。否則調(diào)制后的輸出信號有如下所示的兩個分量F±＝(Fs/12){(ω±ωd)/2∏}.但是，這可以通過如下所述的雙抽選來修正。上述等式中對應(yīng)于“-”的第一分量是所關(guān)注的信號。該式中對應(yīng)于“+”號的第二信號會在處理900的步驟905中的下一個抽選處理中被濾除(見圖9)。
從所接收的信號產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理-圖9圖9說明產(chǎn)生關(guān)于從傳感器接收的信號的數(shù)據(jù)的處理900。在步驟901中，處理900開始，用以下方式來計算陷波濾波器參數(shù)的自適應(yīng)值。眾所周知，陷波濾波器參數(shù)是單一自適應(yīng)參數(shù)，表示為H(z)=1+a1z^-1+z^-21+αa1z^-1+α^2z^-2]]>其中α＜1是調(diào)整濾波器帶寬的收斂參數(shù)，而a1是在自適應(yīng)過程中找尋的參數(shù)。假定|a1|＜2，，并且注意a1＝-2cos(ω)H(z)的零點由下列等式給出z±＝exp(±jω)其中z＝零點；j＝常數(shù)；以及ω＝信號。因此，信號的極點由以下等式表示p±＝αexp(±jω)在步驟902中，對各信號計算a1。用許多常規(guī)算法如RLS、RML或者SGN之一來計算a1。這使信號能量最小。
在步驟902中，確定各信號的信號頻率。為了確定信號的頻率，用以下等式來確定關(guān)于抽選后的信號的歸一化頻率Fo＝(1/2∏)arccos(-a1/2)；其中Fo＝有關(guān)抽選信號的頻率；以及a1是陷波濾波器參數(shù)的當前自適應(yīng)值。在步驟902中，可通過把歸一化頻率乘上抽選頻率(F1＝Fo×Fs)來確定信號的頻率。在步驟903中，對信號進行正交解調(diào)。正交解調(diào)是通過選擇解調(diào)信號來執(zhí)行的，如下所示信號的主要頻率被移至零。在處理903中，計算解調(diào)信號與所接收的信號的點積。調(diào)制信號以下列方式表示ωo＝2∏Fo；其中ωo＝調(diào)制信號的角頻率；以及Fo＝在以上步驟902中計算的歸一化信號的頻率。如上所述，所接收的信號可以表示為xβ(k)＝Acos(ωok+φβ)；其中β＝來自拾取傳感器105、105’的各個信號。根據(jù)上述等式，正交解調(diào)的輸出為zβ(k)＝Wkxβ(k)＝A/2{exp(jφβ)+exp[-j(2ωok+φβ)]}。為了進一步提高信號的分辨率，在步驟904中執(zhí)行抽選。在最佳實施例中，這種抽選是同時對所接收信號的I和Q分量執(zhí)行的40倍的抽選。這種抽選把復(fù)合正交解調(diào)的結(jié)果減小至zβ(k)＝(a/2)exp(jφβ)。在執(zhí)行抽選后，在步驟905中執(zhí)行信號的相位差計算。在示例性的實施例中，以下列方式計算相位差。按照以下等式求出來自或左邊或右邊的拾取傳感器的接收信號之一的共軛數(shù)z’rpo(k)＝(Arpo/2)exp(-jφrpo)然后，將該信號乘以第二信號，從而執(zhí)行拾取信號之間的復(fù)相關(guān)，如以下等式所示 因此，由以下等式給出相位差φ(k)＝arg[q(k)]＝φ第1-φ第2可以用相位差來計算流經(jīng)物質(zhì)的物質(zhì)的質(zhì)量流率和其他特性。
以上描述了用于科里奧利流量計5的數(shù)字發(fā)射器20、以及用于確定與發(fā)射器20所接收的信號有關(guān)的數(shù)據(jù)的處理。可以預(yù)期，其他人或者在字面上或者通過等效原則、會設(shè)計出變換的數(shù)字信號處理器和處理方法，這些侵犯了以下權(quán)利要求書所陳述的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用數(shù)字信號處理器(201)、處理從測量導(dǎo)管(103A-103B)振動的第一拾取傳感器(105)和第二拾取傳感器(105’)接收的信號、從而輸出關(guān)于流經(jīng)所述導(dǎo)管(103A-103B)的物質(zhì)的信息的方法(400)，所述方法(400)包括以下步驟以第一抽樣率從所述第一拾取傳感器(105)和所述第二拾取傳感器(105’)接收(302)信號的樣值；把所述樣值從所述第一抽樣率抽選(401)到需要的抽樣率；以及根據(jù)所述需要的抽樣率下的所述信號的所述樣值，確定(405)在所述第一拾取裝置(105)和所述第二拾取裝置(105’)處所述導(dǎo)管的振動頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法(400)，其特征在于還包括以下步驟對來自所述第一拾取傳感器(105)和所述第二拾取傳感器(105’)的所述信號進行解調(diào)(403)，從而把所述信號變換到中心頻率。
3.如權(quán)利要求2所述的方法(400)，其特征在于還包括以下步驟計算(600)所述信號的歸一化頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法(400)，其特征在于所述解調(diào)步驟還包括以下步驟計算(701)所述信號的所述歸一化頻率的歸一化角頻率；以及計算(703)所述歸一化角頻率與來自所述第一拾取信號和所述第二拾取信號的所述信號的點積，從而把所述信號變換到所述中心頻率。
5.如權(quán)利要求3所述的方法(400)，其特征在于計算所述歸一化頻率的所述步驟還包括以下步驟把所述信號多路分用(601)為I分量和Q分量；求所述I分量的積分(602)；求所述Q分量的積分(602)；把所述I分量和所述Q分量多路復(fù)用(604)以產(chǎn)生數(shù)字積分信號；以及計算(605)所述信號的振幅與所述數(shù)字積分信號的振幅之比，從而產(chǎn)生所述信號的所述歸一化頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法(400)，其特征在于計算所述歸一化頻率的所述步驟還包括以下步驟響應(yīng)所述積分步驟(602)并且在所述多路復(fù)用步驟(604)之前、把所述積分的Q分量加(603)在補償器上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法(400)，其特征在于計算所述歸一化頻率的所述步驟還包括以下步驟響應(yīng)所述積分步驟(602)并且在所述多路復(fù)用步驟(604)之前、把所述積分的I分量加(603)在補償器上。
8.如權(quán)利要求1所述的方法(400)，其特征在于確定所述導(dǎo)管的所述振動頻率的所述步驟還包括以下步驟確定(901)所述信號的歸一化頻率；對信號的所述歸一化頻率進行調(diào)制(902)；以及用所述調(diào)制的歸一化頻率對所述信號執(zhí)行復(fù)合解調(diào)(903)，從而確定所述頻率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于確定所述導(dǎo)管的所述振動頻率的所述步驟還包括以下步驟對所述解調(diào)的信號進行抽選(904)；對所述信號執(zhí)行復(fù)相關(guān)(905)，從而確定所述信號之間的相位差。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括確定(910)來自所述第一拾取傳感器的所述信號與來自所述第二拾取傳感器的所述信號之間的相位差。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括響應(yīng)對來自所述第一拾取裝置的所述信號和來自所述第二拾取裝置的所述信號的所述頻率的確定，確定流經(jīng)所述導(dǎo)管的所述物質(zhì)的特性。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述特性之一是流經(jīng)所述導(dǎo)管的所述物質(zhì)的質(zhì)量流率。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述特性之一是密度。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對來自所述第一拾取裝置的所述信號和來自所述第二拾取裝置的所述信號進行抽選的所述步驟(401)包括以下步驟對從所述第一和所述第二拾取裝置接收所述信號作出響應(yīng)，執(zhí)行從所述第一抽樣率到中間抽樣率的初步抽選。
15.如權(quán)利要求14所述的方法(400)，其特征在于所述抽選步驟還包括以下步驟把所述信號解調(diào)(403)成I分量和Q分量；以及響應(yīng)對所述信號的所述解調(diào)，對所述信號的所述樣值的所述I分量和所述Q分量執(zhí)行從所述中間抽樣率到最終抽樣率的二次抽選(404)。
16.一種裝置(20)，它接收來自附在被激勵器(104)振動的導(dǎo)管(103A-103B)上的傳感器(105-105’)的信號，并且根據(jù)從所述傳感器(105-105’)接收的信號來測量流經(jīng)所述導(dǎo)管(103A-103B)的物質(zhì)的特性，其中所述信號從至少兩點指示所述導(dǎo)管的運動，所述裝置(20)包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(203-203’)，它把所述信號的樣值轉(zhuǎn)換成所述信號的數(shù)字樣值；以及處理器(201)，它被配置成把所述樣值從第一抽樣率抽選(401)到需要的抽樣率，以及根據(jù)所述需要的抽樣率下的所述信號的所述樣值，確定(405)第一拾取裝置(105)和第二拾取裝置(105’)處所述導(dǎo)管(103A-103B)的振動頻率。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被進一步配置成把來自所述第一拾取傳感器(105)和所述第二拾取傳感器(105’)的所述信號變換到中心頻率。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被配置成通過計算(701)所述信號的歸一化頻率來執(zhí)行所述信號的變換。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被進一步配置成通過以下步驟來變換所述信號計算(701)所述信號的所述歸一化頻率的歸一化角頻率；以及計算(703)所述歸一化角頻率與來自所述第一拾取裝置(105)和所述第二拾取裝置(105’)的所述信號的點積，從而把所述信號變換到所述中心頻率。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被配置成通過以下步驟來計算所述歸一化頻率把所述信號多路分用(601)為I分量和Q分量；求所述I分量的積分(602)；求所述Q分量的積分(602)；把所述I分量和所述Q分量多路復(fù)用(604)以產(chǎn)生數(shù)字積分的信號；以及計算所述信號的振幅與所述數(shù)字積分的信號的振幅之比，從而產(chǎn)生所述信號的所述歸一化頻率。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被配置成通過響應(yīng)所述積分步驟(602)、并且在所述多路復(fù)用步驟(604)之前、把所述積分的Q分量加(603)在補償器上來計算所述歸一化頻率。
22.如權(quán)利要求20所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被配置成通過響應(yīng)所述積分步驟(602)、并且在所述多路復(fù)用步驟(604)之前、把所述積分的I分量加(603)在補償器上來計算所述歸一化頻率。
23.如權(quán)利要求16所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)被配置成通過以下步驟確定所述導(dǎo)管的所述振動頻率確定(901)所述信號的歸一化頻率；對所述信號的所述歸一化頻率進行調(diào)制(902)；以及用所述調(diào)制的歸一化頻率對所述信號執(zhí)行復(fù)合解調(diào)(903)，從而確定所述頻率。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述處理器被配置成通過以下步驟來確定所述導(dǎo)管的所述振動頻率對所述解調(diào)的信號進行抽選(904)；對所述信號執(zhí)行復(fù)相關(guān)(905)，從而確定所述信號之間的相位差。
25.如權(quán)利要求16所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器(201)還被配置成確定(906)來自所述第一拾取裝置的所述信號與來自所述第二拾取裝置的所述信號之間的相位差。
26.如權(quán)利要求16所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器還被配置成對來自所述第一拾取裝置的所述信號和來自所述第二拾取裝置的所述信號的所述頻率的確定作出響應(yīng)，確定流經(jīng)所述導(dǎo)管的所述物質(zhì)的特性。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置(20)，其特征在于所述特性之一是流經(jīng)所述導(dǎo)管的所述物質(zhì)的質(zhì)量流率。
28.如權(quán)利要求26所述的裝置(20)，其特征在于所述特性之一是密度。
29.如權(quán)利要求16所述的裝置(20)，其特征在于，所述處理器被配置成通過以下步驟、對來自所述第一拾取裝置的所述信號和來自所述第二拾取裝置的所述信號的所述樣值進行抽選對從所述第一和所述第二拾取裝置接收所述信號作出響應(yīng)，執(zhí)行從所述第一抽樣率到中間抽樣率的初步抽選(401)。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置(20)，其特征在于所述處理器被配置成通過以下步驟對所述信號進行抽選把所述信號解調(diào)(403)成I分量和Q分量；以及響應(yīng)所述信號的所述解調(diào)，對所述信號的所述樣值執(zhí)行從所述中間抽樣率到最終抽樣率的二次抽選(404)。
31.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于它是用于科里奧利流量計的儀表電子裝置。
全文摘要
一種用于確定流經(jīng)導(dǎo)管(103A－103B)的物質(zhì)的特性的數(shù)字信號處理器(291)。本發(fā)明的數(shù)字信號處理器(201)以第一抽樣率從安裝在沿著測流管的兩個不同點上的拾取傳感器(105－105’)接收信號。把所述信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。把數(shù)字信號從第一抽樣率抽選到所需抽樣率。然后根據(jù)所需抽樣率下的數(shù)字信號確定所接收的信號的頻率。
文檔編號G01F1/84GK1371471SQ00811987
公開日2002年9月25日 申請日期2000年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月28日
發(fā)明者D·亨羅特 申請人:微動公司