劉陳慈， 徐科軍， 黃 雅

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

通過尿素機(jī)添加車用尿素溶液，可與汽車尾氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O，從而達(dá)到柴油車排放要求。準(zhǔn)確計(jì)量尿素流量是尿素機(jī)計(jì)費(fèi)的核心問題。市場(chǎng)上絕大部分尿素機(jī)所用的流量計(jì)均為容積式流量計(jì),計(jì)量較為準(zhǔn)確，但當(dāng)被測(cè)氣體或液體受溫度或壓力影響而改變體積時(shí)，易造成較大誤差。對(duì)于尿素機(jī)而言，在寒冷地區(qū)計(jì)量時(shí)易受低溫結(jié)晶影響；在溫度變化較大地區(qū)易受熱脹冷縮影響而造成較大誤差。

科氏質(zhì)量流量計(jì)能夠提供高精度和直接的質(zhì)量流量測(cè)量，其測(cè)量準(zhǔn)確且不受溫度與壓力變化影響。為了將科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用到尿素機(jī)上，首先要解決尿素機(jī)加注液體時(shí)的信號(hào)處理難點(diǎn)。一方面，尿素機(jī)是用啟停法加注尿素，由一開始的零流量驟增到最大流量，保持最大流量一段時(shí)間后，由加注人員調(diào)整加注槍減小流量，末尾階段最小流量由機(jī)器自動(dòng)加注，多次的流量切換，給科氏質(zhì)量流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提出了較高的要求。

另一方面，為了將科氏質(zhì)量流量計(jì)安裝在尿素機(jī)上，要求科氏質(zhì)量流量計(jì)的體積小，因此，制造方選用了微彎管型科氏流量計(jì)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，安裝較為容易，不易殘留雜質(zhì)。但是，對(duì)信號(hào)處理提出了挑戰(zhàn)。這是因?yàn)槲澬涂剖腺|(zhì)量流量管的固有頻率高，一般大彎管型科氏質(zhì)量流量管的固有頻率為75～150 Hz，國內(nèi)的微彎型科氏質(zhì)量流量管的固有頻率一般是300 Hz左右，而課題組選用的是600多Hz，必須提高采樣頻率。而受科氏質(zhì)量流量變送器芯片運(yùn)算能力的限制，這就需要研究合適的算法，并要求的運(yùn)算量較少；微彎型科氏質(zhì)量流量傳感器輸出的相位差小，一般是大彎管型的1/9，這使得信號(hào)處理難度加大。尤其是在尿素機(jī)加注末尾階段，微彎型科氏質(zhì)量流量傳感器本來相位差就很小，小流量時(shí)的相位差則更小，而較小的相位差由于算法運(yùn)算時(shí)間與算法本身的誤差，相比較于大相位差而言誤差更大。因此，在尿素機(jī)上應(yīng)用科氏質(zhì)量流量計(jì)不僅要求較快的算法跟蹤速度，還要求較高的小流量測(cè)量精度。

在啟停測(cè)量與需要較快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究。Clark等認(rèn)為流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與機(jī)械設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制以及信號(hào)處理等方面有關(guān)[1～3]，并對(duì)一批商用流量計(jì)做了動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)[2]；Henry等研制了新型數(shù)字變送器，當(dāng)流量發(fā)生階躍式變化時(shí)，也能達(dá)到較高的精度與較好的重復(fù)性[4，5]；涂亞慶等對(duì)批料流中科氏質(zhì)量流量計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度進(jìn)行了研究[6]。但是，鮮見科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于尿素機(jī)方面的文獻(xiàn)。

為了將科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用到尿素加注機(jī)上，首先根據(jù)加注過程中的科氏質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)，建立相位差變化的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)此模型，分析加注過程中的流量變化規(guī)律；對(duì)比2種工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵱眯Ч^好的信號(hào)處理方法，選取其中更為適用的算法，并進(jìn)行改進(jìn)；研制微彎型科氏質(zhì)量流量變送器的硬件模塊和軟件。基于以上系統(tǒng)及改進(jìn)后的算法，進(jìn)行水流量標(biāo)定試驗(yàn)和尿素機(jī)加注標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案的有效性與實(shí)用性。

2 尿素機(jī)加注過程與信號(hào)建模

2.1 加注過程

為了分析尿素加注機(jī)加注過程中流量的變化，采集加注全過程2路傳感器的原始信號(hào)，分析2路原始信號(hào)的相位差的變化情況。

在理想狀態(tài)下，科氏質(zhì)量流量計(jì)2路速度傳感器輸出信號(hào)均為頻率和幅值相等的正弦信號(hào)，它們之間的相位差反映了液體的質(zhì)量流量?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)在單相流量標(biāo)定時(shí)，在各穩(wěn)定流量點(diǎn)傳感器輸出信號(hào)的相位差均保持微小的波動(dòng)。在標(biāo)定尿素加注機(jī)時(shí)，當(dāng)開啟而沒有加注時(shí)，由于離心泵開啟，流量會(huì)上升到一個(gè)較小的波峰然后回零；再開水槍加注時(shí)，流量瞬間由零到最大，并保持一段時(shí)間；在接近末尾階段，由加注人員減小流量；在最后階段，由機(jī)器控制至最小流量自動(dòng)加注。在整個(gè)加注過程中，流量多次快速變化，且實(shí)際加注現(xiàn)場(chǎng)由于加注人員不同，每次加注時(shí)，控制加注槍的動(dòng)作快慢也不同。如此復(fù)雜的流量變化狀況，給流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量造成較大困難。

為了準(zhǔn)確地獲取傳感器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，針對(duì)Endress+Hauser公司生產(chǎn)的DN25的F型號(hào)科氏質(zhì)量流量傳感器，匹配課題組研制的變送器，進(jìn)行尿素加注機(jī)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用NI公司生產(chǎn)的USB6255數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)對(duì)ADC采集的原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，消除信號(hào)中的高頻噪聲干擾，然后使用合適的算法計(jì)算信號(hào)的頻率和相位差等關(guān)鍵量?；贒SP的科氏質(zhì)量流量變送器通過串口與MATLAB上的GUI通訊，將實(shí)時(shí)計(jì)算出來的相位差、頻率和流量等結(jié)果顯示在液晶屏幕上。使用NI公司生產(chǎn)的USB6255數(shù)據(jù)采集卡與傳感器原始信號(hào)線相連，配合Labview軟件采集2路傳感器信號(hào)。該數(shù)據(jù)采集卡有效位數(shù)16位。使用50 kHz的采樣頻率采集100 s的原始信號(hào)數(shù)據(jù)，預(yù)定加注20 L。總共3個(gè)流量檔位，每個(gè)流量檔位測(cè)試3次。出于成本考慮，尿素用水代替也能取得同等效果和實(shí)驗(yàn)說服力。

2.2 信號(hào)建模

用MATLAB編程，對(duì)采集的3個(gè)檔位(大流量檔位的最大流量為30 L/min、中流量檔位的最大流量為26 L/min、小流量檔位的最大流量為19 L/min)的原始信號(hào)計(jì)算出的相位差。試驗(yàn)在每個(gè)檔位測(cè)試了3次，由于每次加注時(shí)的流量變化時(shí)間點(diǎn)與變化程度不同，因此，每個(gè)流量檔位選取了其中一條較為典型的相位差變化情況，如圖1所示。然后，對(duì)該隨時(shí)間變化的相位差進(jìn)行建模。

圖1 加注過程的相位差變化Fig.1 Phase difference changes during filling process

由圖1可知，加注機(jī)在開啟提槍后，離心泵開啟，而此時(shí)水槍未開啟，由于離心泵的抽水壓力沖擊，會(huì)給科氏流量計(jì)1個(gè)較小的流量信號(hào)，此時(shí)水壓集聚在水槍口；水槍開啟后，流量瞬間到達(dá)預(yù)設(shè)的大、中和小3個(gè)檔位，保持一段時(shí)間的較為穩(wěn)定的流量；在加注到17 L左右時(shí)，加注人員主動(dòng)減小流量，流量急劇減?。辉谀┪搽A段，加注到接近20 L時(shí)，由加注機(jī)以最小流量自動(dòng)加注，直至加注滿20 L。

在忽略較小擾動(dòng)的情況下，尿素機(jī)加注可大致分為3個(gè)階段：快速上升階段、平穩(wěn)加注階段和降流速關(guān)閥門階段?？梢杂靡淮涡逼潞瘮?shù)來表示快速上升階段的相位差，可以用常數(shù)來表示平穩(wěn)加注階段的相位差，而在降流速關(guān)閥階段，由于流量頻繁變化，無法準(zhǔn)確地去描述。具體地，科氏流量計(jì)輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的相位差函數(shù)模型如式(1)所示。以中流量檔位為例，由t1的接近相位差為0°變化到t2的0.07°左右，是近似斜坡函數(shù)的快速上升階段；由t2到t3維持在0.07°左右，是近似常數(shù)的平穩(wěn)加注階段。

(1)

式中：t為時(shí)間；t1為尿素加注機(jī)開啟時(shí)刻；t2為當(dāng)前檔位流量達(dá)到最大的時(shí)刻；t3為尿素加注機(jī)開始降速時(shí)刻；Δθ(t)為相位差；k1為為斜坡函數(shù)斜率;h1為為斜坡函數(shù)初值;p1為為平穩(wěn)加注階段常量。

由圖1可見，流量是由從零開始迅速增加，到達(dá)該檔位的最大值后，保持了一段時(shí)間，又較快地跳躍下降，最后緩慢到零。這種動(dòng)態(tài)測(cè)量過程，不僅要求科氏質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)速度要快，信號(hào)處理速度要快，更要求小流量的測(cè)量精度要高。不考慮安裝空間時(shí)，常用的大彎管型科氏質(zhì)量流量計(jì)的工作頻率一般在100 Hz左右，相位差一般在1°以上。為了縮小體積，制造廠家選用了微彎型的科氏質(zhì)量流量傳感器工作頻率高，一般在600 Hz以上，最大相位差在0.1°以內(nèi)。這對(duì)信號(hào)處理和驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求。

3 信號(hào)處理與驅(qū)動(dòng)方法研究

3.1 2種常用信號(hào)處理算法的比較

與單相穩(wěn)態(tài)液體測(cè)量不同，需根據(jù)在加注過程中傳感器輸出信號(hào)的特征，分析已有算法存在的問題。為了準(zhǔn)確及時(shí)地算出相位差結(jié)果，從實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性2方面出發(fā)，將工業(yè)中實(shí)用效果較好的信號(hào)處理方法：DTFT(離散時(shí)間傅里葉變換)算法和數(shù)字式過零檢測(cè)算法做了分析比較。

科氏質(zhì)量流量計(jì)傳感器信號(hào)是2路同頻率正弦信號(hào)，設(shè)其采樣序列分別為：

s1(n)=A1cos(ωn+θ1)
s2(n)=A2cos(ωn+θ2)

式中：A1，A2為信號(hào)幅值；n=0，1，…，N，N為采樣點(diǎn)數(shù)；ω=2π f0/fs， f0為信號(hào)頻率， fs為采樣頻率；θ1，θ2為信號(hào)初始相位值。

(2)

考慮負(fù)頻率的影響：

(3)

(4)

過零檢測(cè)算法是通過記錄信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)刻，得到過零點(diǎn)間的時(shí)間間隔，進(jìn)而求取信號(hào)頻率和時(shí)間差[7]，實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，如圖2所示。由圖2可得，信號(hào)頻率為f=1/(tR3-tR1)，2路信號(hào)的時(shí)間差為Δt=tR2-tL2，相位差為Δθ(t)=360Δtf。

圖2 過零檢測(cè)原理圖Fig.2 Schematic diagram of zero-crossing detection

過零檢測(cè)算法能夠準(zhǔn)確計(jì)算相位差的關(guān)鍵之一是準(zhǔn)確找到過零點(diǎn)，尋找過零點(diǎn)按照“采樣后數(shù)據(jù)濾波→粗測(cè)過零點(diǎn)→提取過零點(diǎn)附近數(shù)據(jù)→Lagrange插值法擬合曲線[11]→解二階曲線方程→得到過零點(diǎn)”的過程進(jìn)行。

分析2種典型算法的運(yùn)算量與實(shí)時(shí)性，選用較為適合的過零檢測(cè)算法，既能實(shí)時(shí)反映當(dāng)時(shí)的流量情況，又能保證較高的采樣精度。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的角度出發(fā)，提出算法改進(jìn)的辦法。

在尿素加注機(jī)上使用科氏流量計(jì)，要求DSP芯片具有較少的算法運(yùn)算時(shí)間，以滿足實(shí)時(shí)性的要求，這也是標(biāo)定達(dá)到較高精度的必要條件之一。為了減少算法的運(yùn)算時(shí)間，一方面要求DSP具有較快的指令執(zhí)行速度，另一方面要求較低的算法復(fù)雜度。由于DTFT算法每個(gè)采樣點(diǎn)都參與運(yùn)算，而過零檢測(cè)算法只有過零點(diǎn)參與運(yùn)算。經(jīng)過不斷的測(cè)試和大量的實(shí)際應(yīng)用，DTFT算法采樣100點(diǎn)調(diào)用一次算法，過零檢測(cè)算法采樣500點(diǎn)調(diào)用一次算法，能保證相位差的計(jì)算精度。

在DSP芯片選型上，選用了TMS320F28335型號(hào)，其指令執(zhí)行速度為150 MIPS(百萬條指令每秒)，配合外擴(kuò)的24位高精度數(shù)據(jù)采集芯片ADS1255，在不同算法、不同采樣頻率時(shí)，算法的執(zhí)行時(shí)間如表1所示。

表1 TMS320F28335的處理時(shí)間Tab.1 Processing time of TMS320F28335 ms

從表1中可以看出，如果使用DTFT算法，僅 2 kHz 的采樣頻率算法執(zhí)行時(shí)間少于調(diào)用數(shù)據(jù)所需時(shí)間，高于2 kHz的采樣頻率均會(huì)由于運(yùn)算跟不上ADC采樣速率而造成ADC數(shù)據(jù)采集冗余，實(shí)時(shí)性下降。如果采用過零檢測(cè)算法，則可以做到7.5 kHz的采樣頻率而保證實(shí)時(shí)性。選用的科氏質(zhì)量流量傳感器滿管時(shí)的固有頻率為667 Hz，為了保證算法精度，采樣頻率應(yīng)不低于傳感器固有頻率的10倍，7.5 kHz的采樣頻率高于該傳感器的滿管固有頻率的10倍。

如果采用DTFT算法，則只能選用2 kHz的采樣頻率，而2 kHz的采樣頻率僅3倍于667 Hz的傳感器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度的要求。而選用過零檢測(cè)算法可以把采樣頻率提高到7.5 kHz，達(dá)到10倍于傳感器固有頻率要求；同時(shí)，也能保證算法的實(shí)時(shí)性。因此，選用過零檢測(cè)算法，同時(shí)將ADC采樣頻率設(shè)為7.5 kHz，然后取合適的兼顧較快響應(yīng)速度與較小相位差波動(dòng)的折中的滑動(dòng)平均數(shù)組長(zhǎng)度Nmean值，理論上標(biāo)定可以達(dá)到較高精度。

3.2 過零檢測(cè)算法的改進(jìn)

3.2.1 信號(hào)預(yù)處理

由于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有許多噪聲，例如，隨機(jī)噪聲、電機(jī)與管道振動(dòng)等高頻干擾，因此，設(shè)置低通濾波來進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，截止頻率設(shè)置為選用的微彎型傳感器的滿管時(shí)固有頻率667 Hz，這樣就濾除了高頻雜波干擾，提高了測(cè)量精度。該低通濾波電路為二階巴特沃斯低通濾波器。巴特沃斯濾波器具有通帶和阻帶平坦度最大的優(yōu)點(diǎn)，能夠最小限度地降低對(duì)信號(hào)的影響；二階濾波器通帶以外的頻率分量衰減速度快，濾波效果好，且電路簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)運(yùn)放就能實(shí)現(xiàn)[12]。

3.2.2 四點(diǎn)插值

為了提高正弦信號(hào)零點(diǎn)檢測(cè)的精準(zhǔn)度，對(duì)三點(diǎn)拉格朗日插值方法進(jìn)一步改進(jìn)，選用了精確度更高的四點(diǎn)拉格朗日插值方法進(jìn)行曲線擬合。由于正弦信號(hào)在零點(diǎn)處的曲線是奇對(duì)稱的，因此，圍繞零點(diǎn)選擇4點(diǎn)進(jìn)行擬合比3點(diǎn)更具有幾何上的對(duì)稱性，其曲線擬合也更加切合實(shí)際曲線。當(dāng)采樣序列中相鄰2點(diǎn)滿足x(n-1)×x(n)<0的條件時(shí)，選擇零點(diǎn)左右各兩點(diǎn)，即x(n-2)、x(n-1)、x(n)、x(n+1)四點(diǎn)進(jìn)行拉格朗日插值，插值公式為：

(5)

這里采取了反向拉格朗日插值的方法來解決零點(diǎn)計(jì)算問題，由于正弦波在過零點(diǎn)處具有較好的線性及對(duì)稱性，因此，將采樣信號(hào)的數(shù)值與時(shí)刻值交換過來進(jìn)行四點(diǎn)插值計(jì)算，即x(n-2)、x(n-1)、x(n)、x(n+1)由因變量變?yōu)樽宰兞浚?個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)下標(biāo)值由自變量變?yōu)橐蜃兞?。則得到新的插值公式為：

(6)

此時(shí)，令式(6)中的因變量x=0，得到t，即為過零點(diǎn)的位置。這種反向拉格朗日插值的方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，并且避免了求解方程系數(shù)以及開方操作引起的大量運(yùn)算。

3.2.3 相位差后期處理

滑動(dòng)平均數(shù)組長(zhǎng)度Nmean是算法中后期數(shù)據(jù)處理的重要手段。將經(jīng)過一級(jí)平均處理后的相位差保存到該數(shù)組中，當(dāng)保存的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度少于Nmean時(shí)，只對(duì)已保存的相位差取均值；當(dāng)保存的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一旦達(dá)到Nmean時(shí)，調(diào)動(dòng)滑動(dòng)平均處理，對(duì)該點(diǎn)與之前保存的Nmean-1點(diǎn)相位差取均值，然后使用此時(shí)算出來的相位差代替先前計(jì)算的相位差。Nmean就是為了減少奇異點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。Nmean較大時(shí)，能夠減少相位差波動(dòng)帶來的影響，顯示出來的相位差不會(huì)有較大波動(dòng)，但會(huì)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，不適用于流量頻繁變化的場(chǎng)合；Nmean較小時(shí)，系統(tǒng)具有較快的算法響應(yīng)速度，在流量頻繁變化時(shí)，能快速響應(yīng)，實(shí)時(shí)計(jì)算顯示此時(shí)的流量。所以，可通過改變Nmean的值來改變算法響應(yīng)速度；同時(shí)，也要考慮相位差波動(dòng)帶來的影響，以保證測(cè)量精度。

使用MATLAB編寫過零檢測(cè)算法，計(jì)算采集的原始信號(hào)的相位差。依次改變算法后期處理的滑動(dòng)平均數(shù)組長(zhǎng)度Nmean=6，8，10，20，從而改變算法的響應(yīng)速度，結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3 大檔位開啟過程Fig.3 The opening process of large flow

圖4 大檔位平穩(wěn)階段局部放大Fig.4 Enlarging particular sections of large flow in stationary condition

圖5 中檔位開啟過程Fig.5 The opening process of middle flow

圖6 中檔位平穩(wěn)階段局部放大Fig.6 Enlarging particular sections of middle flow in stationary condition

圖7 小檔位開啟過程Fig.7 The opening process of small flow

圖8 小檔位平穩(wěn)過程局部放大Fig.8 Enlarging particular sections of small flow in stationary condition

從圖3～圖8可以看出，在不同檔位下，在流量開啟過程中滑動(dòng)平均數(shù)為6時(shí)響應(yīng)最快，8和10時(shí)次之，20時(shí)響應(yīng)最慢。在各檔位對(duì)應(yīng)的最大流量的平穩(wěn)過程中，滑動(dòng)平均數(shù)為6時(shí)相位差波動(dòng)最大，8和10時(shí)次之，20時(shí)最平穩(wěn)，波動(dòng)最小。

為了評(píng)估各滑動(dòng)平均數(shù)的測(cè)量效果，在大檔位下做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 大檔位下的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data of large flow

由表2可知，當(dāng)Nmean=10時(shí)，測(cè)量具有較小的測(cè)量誤差與較好的重復(fù)性。因此，取Nmean=10、采樣頻率為7 500 Hz，使用過零檢測(cè)算法每采樣500點(diǎn)調(diào)用一次算法更加適合尿素加注機(jī)的測(cè)量。

3.3 數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法

在驅(qū)動(dòng)方式方面，傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)信號(hào)依賴傳感器信號(hào)、驅(qū)動(dòng)增益控制不靈活，其有限的驅(qū)動(dòng)增益和簡(jiǎn)單的增益控制算法致使其不能快速跟蹤流量管的幅值變化和調(diào)整其相應(yīng)的期望幅值，進(jìn)而可能造成流量管停振，而且其緩慢的頻率相位跟蹤能力也不適用于流量快速頻繁變化的場(chǎng)合。因此采用基于DDS和MDAC的數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法，結(jié)合非線性幅值控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量管的驅(qū)動(dòng)控制。由于加注開啟過程流量急劇上升，加注結(jié)束階段流量快速頻繁變化，所以，需要驅(qū)動(dòng)方式能快速跟蹤傳感器頻率相位。全數(shù)字驅(qū)動(dòng)頻率跟蹤性能強(qiáng)，當(dāng)固有頻率發(fā)生突變時(shí)，由于數(shù)字驅(qū)動(dòng)是實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)的，因此，能通過頻率估計(jì)算法算出當(dāng)前的頻率，從而給出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。即使不能實(shí)時(shí)給出合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也能判斷出頻率發(fā)生了較大變化，從而運(yùn)用起始時(shí)的啟振方法能快速使流量管再次進(jìn)入新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。因此，選用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式，既能滿足實(shí)時(shí)性要求，也能保證較好的標(biāo)定精度。

DSP實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，得到信號(hào)的頻率、相位信息后，通過數(shù)字接口將頻率、初始相位信息寫入到DDS(直接數(shù)字頻率合成器)中，DDS即可輸出所設(shè)定的頻率、相位的正弦信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。該信號(hào)接入到MDAC(乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的模擬輸入端。DSP得到傳感器信號(hào)的幅值信息后，調(diào)用幅值控制算法，求得數(shù)字驅(qū)動(dòng)增益，送至MDAC的數(shù)字輸入端。MDAC將數(shù)字端與模擬端信號(hào)相乘經(jīng)功率放大后即可輸出包含幅值、頻率、相位信息的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其原理框圖如圖9所示。

圖9 數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法框圖Fig.9 Block diagram of digital drive method

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的算法在研制的基于DSP的科氏質(zhì)量流量變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，匹配Endress+Hauser公司生產(chǎn)的DN25的F型科氏質(zhì)量流量傳感器，首先做了水流量標(biāo)定試驗(yàn)，檢測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度；再做尿素加注機(jī)加注的標(biāo)定試驗(yàn)，考核科氏質(zhì)量流量計(jì)在尿素加注機(jī)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和測(cè)量精度。

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1.1 系統(tǒng)硬件模塊

以TMS320F28335為核心研制科氏質(zhì)量流量變送器。TMS320F28335核心內(nèi)包含有一個(gè)C28x定點(diǎn)CPU和一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU，片上有McBSP、SPI、DMA、SCI、ePWM等豐富的外設(shè)資源，有利于實(shí)現(xiàn)儀表的各種功能，主要包括信號(hào)輸入調(diào)理單元、數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路、DSP數(shù)字信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口及通訊電路以及溫度補(bǔ)償單元[13]。這可以實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的采集與調(diào)理、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的合成與輸出、流量的計(jì)算與顯示等功能[14～15]。

4.1.2 系統(tǒng)軟件模塊

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)。即采用獨(dú)立模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能，并由主程序統(tǒng)一調(diào)用。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，主要包括主監(jiān)控程序、初始化模塊、中斷模塊、核心算法、人機(jī)接口、流量信號(hào)輸出、通訊模塊、FRAM以及看門狗等模塊[16]。

圖10 系統(tǒng)軟件框圖Fig.10 Diagram of software for system

系統(tǒng)上電后，開始調(diào)用主程序：首先進(jìn)行各模塊、參數(shù)和算法的初始化；接著，同步開啟兩路A/D轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)；然后，便調(diào)用算法計(jì)算流量，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償；最后，根據(jù)計(jì)算出的流量，發(fā)送PWM脈沖和4～20 mA電流。完成輸出后，刷新液晶顯示最新結(jié)果，并與上位機(jī)通訊，將結(jié)果顯示在上位機(jī)界面上。最后返回，繼續(xù)循環(huán)計(jì)算。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.11 Flow chart of system software

4.2 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

采用稱重法進(jìn)行水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。先在管道以最大流量沖水沖一段時(shí)間，消除水箱中的水與管道的溫度差異而引起誤差；然后將傳感器管道兩端堵住，將科氏質(zhì)量流量傳感器與科氏質(zhì)量流量變送器連接好，上電，堵住傳感器管道兩端使傳感器為滿管零流量，運(yùn)行程序一段時(shí)間，通過上位機(jī)GUI軟件監(jiān)測(cè)變送器計(jì)算出的相位差，不斷清空直至零點(diǎn)較為穩(wěn)定，測(cè)量1 000點(diǎn)，保存數(shù)據(jù)，平均該段數(shù)據(jù)的零點(diǎn)相位差，再通過GUI設(shè)入儀表參數(shù)的零點(diǎn)。零點(diǎn)修正后，開始標(biāo)定，在顯示的相位差較為穩(wěn)定的情況下開始第一次標(biāo)定。標(biāo)定完最大流量點(diǎn)后，按照平均誤差修改儀表系數(shù)。繼續(xù)標(biāo)定，若整個(gè)標(biāo)定完后最大流量點(diǎn)發(fā)現(xiàn)誤差仍較大，則按照最后一次最大流量點(diǎn)的平均誤差再次修改儀表系數(shù)，重新標(biāo)定，標(biāo)定5個(gè)流量點(diǎn)(最大流量、最大流量的50%、20%、10%、最大流量)的標(biāo)定結(jié)果。標(biāo)定裝置對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值乘以脈沖當(dāng)量后作為測(cè)量值，電子秤的稱重值作為流量的標(biāo)準(zhǔn)值，比較測(cè)量值和稱重值即可得到科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。該裝置的不確定度水平為0.05%，符合國家對(duì)0.1級(jí)科氏質(zhì)量流量計(jì)的檢定標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)定的結(jié)果如表3所示。

表3 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The water calibration experimental data

圖12 水流量標(biāo)定裝置Fig.12 Calibration device schematic

由表3可知，在12:1量程范圍內(nèi)，該測(cè)試方案測(cè)量誤差小于0.1%，重復(fù)性誤差小于0.05%，滿足0.1級(jí)精度要求。

4.3 尿素機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用容積法標(biāo)定，液體由尿素機(jī)水箱流出，經(jīng)輕型立式多級(jí)離心泵抽水，先流經(jīng)E+H公司生產(chǎn)的口徑DN25型號(hào)為F的微彎型科氏質(zhì)量流量傳感器，再流經(jīng)容積式流量計(jì)，用以檢測(cè)是否達(dá)到預(yù)定加注升數(shù)，該表測(cè)量的最大允許誤差為±0.2%，最后經(jīng)水槍流入標(biāo)準(zhǔn)金屬量器中。

該量器是由河北海興東方計(jì)量?jī)x器有限公司生產(chǎn)的BJL型號(hào)，容量20升，測(cè)量精度0.025%，符合國家對(duì)0.1級(jí)科氏質(zhì)量流量計(jì)的檢定標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量過程使用脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)設(shè)備為美國芬蘭貝美克斯Beamex MC2多功能校驗(yàn)儀?，F(xiàn)場(chǎng)尿素加注裝置如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)尿素加注裝置Fig.13 The urea filling equipments

加注具體步驟如下：

1) 在尿素加注機(jī)儀表盤上設(shè)置好加注升數(shù)(20 L)，提槍。

2) 將水槍口放入標(biāo)準(zhǔn)金屬量器中，打開水槍，按至預(yù)定擋位，向標(biāo)準(zhǔn)金屬量器中加水。

3) 加注人員檢測(cè)加注機(jī)上顯示的已加注升數(shù)，至17 L時(shí)，主動(dòng)減小流量，以免末尾階段沖擊過大液體濺出，導(dǎo)致標(biāo)定誤差。

4) 加注至接近20 L時(shí)，由機(jī)器自動(dòng)控制以最小流量流入，直至加注機(jī)儀表上顯示已加注至20 L。記錄標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的示數(shù)，根據(jù)廠商給出的公式換算成對(duì)應(yīng)的升數(shù)；變送器實(shí)時(shí)測(cè)量流體流量值，并采用脈沖輸出的方式，將脈沖數(shù)上傳到Beamex MC2多功能校驗(yàn)儀中。標(biāo)定裝置對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值乘以脈沖當(dāng)量后作為測(cè)量值，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的換算值作為流量的標(biāo)準(zhǔn)值。

5) 重復(fù)以上步驟3次，考察被檢表的重復(fù)性。改變檔位(最大流量)，重復(fù)上述步驟。

由表4可知可見，算法改進(jìn)后，被檢表測(cè)量精度優(yōu)于0.1%，重復(fù)性誤差小于0.05%，滿足0.1級(jí)精度要求。因此，改進(jìn)后的算法與系統(tǒng)具有較高的精度與性能。

表4 滑動(dòng)平均數(shù)組長(zhǎng)度設(shè)為10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment results with setting the average sliding array length to 10

5 結(jié) 論

為了將微彎型高頻傳感器的科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用在尿素加注機(jī)上，根據(jù)實(shí)際尿素加注過程采集了傳感器輸出的原始信號(hào)，使用MATLAB編寫過零檢測(cè)算法，計(jì)算出尿素機(jī)從開啟到停止的加注過程3個(gè)流速檔位的相位差隨時(shí)間變化過程，并建立了模型，較好地描述實(shí)際加注過程的信號(hào)相位差變化；說明各流速的相位差模型開啟階段均為斜坡函數(shù)，平穩(wěn)加注階段均為常數(shù)的形式，能夠較好地描述實(shí)際加注過程中傳感器信號(hào)相位差的變化。

基于加注過程的相位差變化可以看出，由于選用的微彎型傳感器固有頻率非常高、相位差非常小以及流量頻繁變化，這就對(duì)尿素機(jī)加注過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、小流量的測(cè)量精度都提出了較高的要求。分析了工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的、實(shí)際應(yīng)用效果較好的DTFT算法與過零檢測(cè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出僅過零檢測(cè)算法既能滿足采樣精度，又能保持較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的結(jié)論；分析了滑動(dòng)平均數(shù)組長(zhǎng)度對(duì)算法的響應(yīng)速度的影響。進(jìn)行不同擋位下的加注測(cè)試以評(píng)估出最合適的滑動(dòng)平均數(shù)組Nmean，最后得出滑動(dòng)平均數(shù)組設(shè)為10時(shí)，既能滿足實(shí)時(shí)性要求，又能保持較好的測(cè)量精度；分析選用了全數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，適用于尿素機(jī)加注場(chǎng)合。

改進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法在以TMS320F28335為核心的科氏質(zhì)量流量變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了水流量標(biāo)定和尿素機(jī)加注標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：算法改進(jìn)后，在水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，12:1的量程范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于0.1%，重復(fù)性誤差小于0.05%，性能優(yōu)良；在尿素加注標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量誤差小于0.1%，被檢表重復(fù)性誤差小于0.05%，達(dá)到0.1級(jí)測(cè)量精度，具有較高的精度與優(yōu)良的性能。