DSP數字信號處理器在科里奧質(zhì)量流量計上的應用
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高準 MVD多參數數字技術(shù)提供了一個(gè)模式化的結構來(lái)重新定義傳感器和變送器，并使流量計工作得更靈巧。DSP數字信號處理器的核心處理器與傳感器安裝在一起，把來(lái)自科里奧利傳感器中的模擬信號轉換為數字信號，并產(chǎn)生一個(gè)正比于質(zhì)量流量的電子信號。
1000系列和2000系列兩種變送器可與核心處理器之間通過(guò)普通的4線(xiàn)電纜相連接，它們將輸出最終測量信號、提供顯示和一些其他的功能。變送器也可以一體地與核心處理器安裝在一起。
一 什么是DSP數字信號處理器
DSP數字信號處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號的微處理器。家用電腦的微處理器根據儲存在存儲器里的數據進(jìn)行工作，這對于結算支票或玩電子游戲是合適的，但它不能處理某些現實(shí)世界里的東西，如音頻信號、視頻信號、醫療傳感器的信號或來(lái)自于科里奧利傳感器的信號。這里我們需要一個(gè)非?？斓奈⑻幚砥鲗@些信號做各種我們想要做的分析。
家用電腦需要顯示器、磁盤(pán)驅動(dòng)器、打印機、軟件和一些連接電纜，像家用電腦里的微處理器一樣，DSP數字信號處理器也需要支持的軟件和硬件。在DSP的世界里，我們需要做的第一件事就是要把現實(shí)世界里的信號轉換成為DSP世界里的信號，所用的裝置被稱(chēng)為“模擬—數字轉換器”。
我們也需要一些軟件去操作“數字化”信號，讓我們舉一個(gè)例子來(lái)看看我們用軟件可做些什么。在遠距離通話(huà)中，我們有時(shí)會(huì )聽(tīng)到自己聲音的回聲，這令人氣惱。人的耳朵習慣于過(guò)濾掉短回聲，但是長(cháng)回聲使通信非常困難。電話(huà)公司復制了你的聲音然后在合適的時(shí)間加到它的反向以消除回聲，不是回聲沒(méi)有發(fā)生，它只是被非常復雜的DSP數字信號處理軟件過(guò)濾掉了。在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個(gè)已知的頻率下振動(dòng)，因此任何在此振動(dòng)頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號很可能來(lái)源于與附近動(dòng)力線(xiàn)的耦合。如何在實(shí)際上“過(guò)濾”這些多余的信號則需要一些更多的在那時(shí)刻所得到的背景信息，圖1表明了噪聲如何出現在原轉換器信號上，以及被過(guò)濾后的最終信號。
既然我們已經(jīng)處理了信號，就需要把它從數字世界再轉換回到現實(shí)世界，完成這項任務(wù)的裝置是“數字—模擬轉換器”。 我們需要一些存儲器來(lái)儲存DSP數字信號處理程序，也需要一些控制裝置去實(shí)現DSP數字信號處理器。
二 DSP數字信號處理技術(shù)為科里奧利質(zhì)量流量計帶來(lái)的好處
和家用電腦處理數據帶來(lái)的好處一樣，DSP數字信號處理技術(shù)也給處理現實(shí)世界的信號帶來(lái)了同樣的好處：DSP數字信號處理器比傳統的模擬處理器要小得多，這正是我們如何能把所有技術(shù)都封裝到核心處理器中并使傳感器智能化的原因；比起傳統的模擬處理器，DSP數字信號處理器使用了更小的能量和更少的元件，并提高了可靠性；DSP數字信號處理器的精確度至少比類(lèi)似的模擬處理器高一個(gè)數量級，這意味著(zhù)即使較差的傳感器信號也能得出較好的最終測量值；通過(guò)軟件更新，核心處理器可適用于其他的傳感器類(lèi)型。對于高準產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)市場(chǎng)開(kāi)拓更快；對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)更少的備用部件。
三 和DSP數字信號處理器有關(guān)的一些數學(xué)知識
自然界存在的信號一般是連續的，并可被連續變化的電壓信號所表示?？评飱W利流量計的信號也是連續信號，當我們通過(guò)一個(gè)模擬—數字轉換器來(lái)發(fā)送信號時(shí)，事實(shí)上我們已把信號量化為離散的或數字化的樣本。例如，假設我們通過(guò)一個(gè)12位的ADC以每秒1000個(gè)樣本的采樣率來(lái)傳送轉換器的電壓，每毫秒我們將信號量化為212=4096個(gè)可能的級別之一。圖2顯示了一個(gè)已被量化后的信號。
ADC運行一秒我們可采集1000個(gè)轉換器電壓的樣本，我們稱(chēng)樣本的數目為N。如果需要，我們可把所有的采樣值加在一起，然后除以N來(lái)計算轉換器電壓的平均值。以一個(gè)類(lèi)似的形式我們可計算信號的標準偏差，平均值代表我們想測量的實(shí)際信號，而標準偏差代表噪聲信號。平均值的平方除以標準偏差的平方被稱(chēng)作信噪比或SNR。信噪比越高，被分析的數據的質(zhì)量就越高。這些計算可用于計算被測變量的值。過(guò)濾和減小帶寬(技術(shù)上叫作十倍程下降率)可用于提高信噪比和質(zhì)量流量的精確度。
四 傅立葉分析
傅立葉分析是以法國數學(xué)家和物理學(xué)家 Jean Baptiste Loseph Fourier的名字命名的分析方法。
傅立葉認為任何連續的周期信號可被適當選擇的正弦信號波的總和所描述。取一個(gè)連續的周期信號并把它轉換為一族正弦波被定義為進(jìn)行一個(gè)傅立葉變換。傅立葉變換在數學(xué)上很復雜，但我們只需大致了解即可。核心處理器取已量化的轉換器信號并進(jìn)行了信號的傅立葉變換，如圖3所示。
五 數字濾波
圖3中信號的頻譜，只有一個(gè)信號數據，其余的都是噪聲，100Hz的信號代表了測量管的振動(dòng)頻率。我們也看到了在200Hz、300Hz、400Hz等頻率處的信號，這些被稱(chēng)為二次、三次和四次諧波。我們還看到了一個(gè)來(lái)源于動(dòng)力線(xiàn)耦合的60Hz的小信號。
這些數據在DSP的存儲器里只是一個(gè)表格，我們想做的是拋棄任何實(shí)際測量中所不需要的信息，也就是要忽略掉100Hz測量管頻率之外的信息，這被稱(chēng)為數字濾波。
注意到在圖3中只有一個(gè)信號在100Hz測量管頻率附近，在較老的傳感器中，通常確定信號附近什么是數據和什么是噪聲都是非常困難的。高準傳感器在測量管工作頻率附近有一個(gè)格外高的信號純度，這就是高準質(zhì)量流量計具有高精確度的一個(gè)重要原因。
六 DSP數字信號處理技術(shù)對高準質(zhì)量流量計的實(shí)際意義
與使用時(shí)間常量去阻抑和穩定信號相比，使用DSP數字信號處理技術(shù)的主要好處之一是能夠以一個(gè)被提高了的采樣率去過(guò)濾實(shí)時(shí)信號，這使得流量計對流量的階躍變化的響應時(shí)間快多了。使用MVD多參數數字變送器的響應時(shí)間比使用模擬信號處理的傳統變送器快2~4倍，更快的響應時(shí)間會(huì )提高短批量控制的效率和精確度。在發(fā)動(dòng)機測試裝置里，我們能更好地測量發(fā)動(dòng)機對燃料噴射的階躍變化的響應。用一個(gè)緊湊的校驗裝置還能提高現場(chǎng)校驗高準流量計的能力。圖4是MVD多參數數字科里奧利變送器、壓力變送器和普通科里奧利變送器對流量的階躍變化的響應。
DSP數字信號處理技術(shù)另一個(gè)頗有價(jià)值的實(shí)例是氣體測量。氣體測量是一個(gè)更富有挑戰性的應用，因為高速氣體通過(guò)流量計會(huì )引起相對較嚴重的噪聲。通過(guò)高準Elite系列傳感器，與流量信號混雜的噪聲已被減至最小?，F在DSP數字信號處理技術(shù)能更好地濾波，并進(jìn)一步減小了質(zhì)量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD多參數數字變送器測量氣體的結果在重復性和精確度上都有了顯著(zhù)提高，效果如圖5、圖6所示。
七 未來(lái)
DSP數字信號處理技術(shù)提供了一個(gè)“通往處理的窗戶(hù)”，今天，當瀏覽這個(gè)窗戶(hù)時(shí)，首先集中在測量管振動(dòng)頻率附近的信號上。實(shí)際上，有意地拋棄了其余的信息，很可能正是隱藏在這些“無(wú)用的”數據里的信息會(huì )鋪平通往新的診斷技術(shù)的道路。例如，頻譜分析可能會(huì )引導我們取得在夾雜空氣或團狀流動(dòng)流體測量上的進(jìn)展，流體在測量管內壁的附著(zhù)也是另一個(gè)有希望被DSP數字信號處理技術(shù)檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預測傳感器的故障。
八 總結
今天，DSP數字信號處理技術(shù)通過(guò)給予質(zhì)量流量計一個(gè)更快、更可靠、更高效、更穩定、更靈活的的解決辦法，體現了它的價(jià)值。這也使得我們的傳感器更靈巧。對于未來(lái)，高準公司充滿(mǎn)了信心，DSP數字信號處理技術(shù)將在推動(dòng)流量測量上顯示出巨大的潛力。
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