CN105973349A - 一种科氏流量计固有频率的在线预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种科氏流量计固有频率的在线预测方法。主要解决了现有的科氏流量计固有频率测量方法都需要将流量计停止才能测量的问题。其特征在于：实时采样科氏流量计测量管上检测电磁铁输出信号，当信号幅值变化超过1/10时，利用幅值变化前十个周期的稳定期数据，计算出原有固有频率值f₀，利用幅值变化期连续两个十周期的采样数据，基于幅值变化期信号特征参数识别，计算固有频率变化量Δf，进而通过f＝f₀+Δf计算出测量管当前固有频率f。通过采样多个周期的检测信号，经过傅里叶变换的数据处理，求出测量管信号频率的变化，去实时计算出当前的固有频率，而不影响科氏流量计的正常计量。

Description

一种科氏流量计固有频率的在线预测方法

技术领域

本发明涉及一种流量计固有频率的预测方法，具体涉及一种科氏流量计固有频率的在线预测方法。

背景技术

科里奥利流量计CMF(以下简称科氏流量计)是一种高精度的质量流量计，广泛应用于过程工业领域中如油品、化工介质、造纸墨液和浆体等介质的测量，利用流体在振动的管道中流动时所产生的与质量流量成正比的科里奥利力，检测测量管上下两路正弦信号的相位差，直接地计算质量流量。其中，振动控制***的振幅稳定是保证流量计测量精度的前提条件。通常，为使其振幅稳定，应使测量管的驱动频率与固有频率相吻合，若能实时知道固有频率的具体参数，将对科氏流量计的振动控制***非常有帮助。

在数字式科氏流量计中，为保证振幅稳定，需要实时测量跟踪固有频率，现有的固有频率测试方法，包括自由阻尼衰减法等均要求科氏流量计停止才能进行测量，无法实现流量计的固有频率在线预测。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，主要解决了现有的科氏流量计固有频率测量方法都需要将流量计停止才能测量的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，实时采样科氏流量计测量管上检测电磁铁输出信号，当信号幅值变化超过1/10时，利用幅值变化前十个周期的稳定期数据，计算出原有固有频率值f₀，利用幅值变化期连续两个十周期的采样数据，基于幅值变化期信号特征参数识别，计算固有频率变化量Δf，进而通过f＝f₀+Δf计算出测量管当前固有频率f。

对振幅稳定期信号进行一次整数周期采样，通过频谱分析，将功率谱最大时对应的频率，认定为信号的基频f₀，即原固有频率f₀。

对振幅过渡期信号进行两次整数周期采样，通过傅里叶变换获得反映第一次采样信号特征的实部a1与虚部b1参数，以及第二次采样信号特征的实部a2与虚部b2参数，进而通过

$\mathrm{\Δ}f=\frac{1}{2\mathrm{\π}T}\arccos \left(\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{a_1{b}_2+a_2{b}_1}\right)$

计算出固有频率变化量Δf。

通过傅里叶变换获取信号特征参数实部a1，a2与虚部b1，b2。

本发明的有益效果是：通过采样多个周期的检测信号，经过傅里叶变换的数据处理，求出测量管信号频率的变化，去实时计算出当前的固有频率，而不影响科氏流量计的正常计量。

具体实施方式

在科氏流量计的振动控制***中，采用一种基于傅里叶的测频算法，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差求出频率的变化，通过采样多个周期的检测信号，经过傅里叶变换的数据处理，求出测量管信号频率的变化，去实时计算出当前的固有频率，而不影响科氏流量计的正常计量。

对振幅稳定期信号进行一次整数周期采样，通过频谱分析，将功率谱最大时对应的频率，认定为信号的基频f₀，即原固有频率f₀。

固有频率f₀，则其对应的计算角频率记为ω₀。同时，将测量管真实的固有频率记为f，其对应的真实角频率记为ω。由于f₀与f虽然不是严格相等，但其值相差不多，因此，可以做出如下合理的假设：

1、固有频率f＝f₀+Δf，Δf表示固有频率与计算频率的差值，并且Δf值很小；

2、计算得到的计算角频率ω₀在真实角频率ω附近波动；

以下数学公式的推导目标，就是求得Δf的值：

固有频率表示的信号为：

f(t)＝Fsin(2πf₀t+2πΔft+α₀) (1)

其中F和α₀表示幅值和初始相位。

将采样一个周期所得的采样系列进行傅里叶变换，得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}f\left(t\right)sin\mathrm{\ω}tdt\\ b_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}f\left(t\right)\cos \mathrm{\ω}tdt\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于ω≈ω₀，所以公式(2)约等于以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}f\left(t\right){\mathrm{sin\ω}}_{0}tdt\\ b_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}f\left(t\right){\mathrm{cos\ω}}_{0}tdt\end{array}\right.---\left(3\right)$

将(1)代入(3)，并进一步展开，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}F\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}ft+{\mathrm{\α}}_0)sin\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}t\right)dt\\ =\frac{2{\mathrm{Ff}}_0}{{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f(2f_0+\mathrm{\Δ}f)}cos({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f+{\mathrm{\α}}_0)sin\left({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f\right)\\ b_1=\frac{2}{T_0}{\∫}_0^{T_0}Fsin(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}ft+{\mathrm{\α}}_0)\cos \left(2{\mathrm{\πf}}_{0}t\right)dt\\ =\frac{2F(f_0+\mathrm{\Δ}f)}{{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f(2f_0+Af)}\sin ({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f+{\mathrm{\α}}_0)\sin \left({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

同样，第二个的周期的采样系列进行同样的傅里叶变换，得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_2=\frac{2}{T_0}{\∫}_{T_0}^{2T_0}f\left(t\right){\mathrm{sin\ω}}_{0}tdt\\ b_2=\frac{2}{T_0}{\∫}_{T_0}^{2T_0}f\left(t\right){\mathrm{cos\ω}}_{0}tdt\end{array}\right.---\left(5\right)$

将(1)代入(5)，做同样的展开，得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_2=\frac{2{\mathrm{Ff}}_0}{{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f(2f_0+\mathrm{\Δ}f)}cos(3{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f+{\mathrm{\α}}_0)sin\left({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f\right)\\ b_2=\frac{2F(f_0+\mathrm{\Δ}f)}{{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f(2f_0+\mathrm{\Δ}f)}\sin (3{\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f+{\mathrm{\α}}_0)\sin \left({\mathrm{\πT}}_0\mathrm{\Δ}f\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

由(4)和(6)可以得到：

$\begin{array}{c}A=\frac{a_1}{a_2}=\frac{cos({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{cos(3{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}=\frac{cos({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{cos(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}\\ =\frac{\cos ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\cos \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\cos ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)-\sin \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}\\ =\frac{1}{\cos \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)-\sin \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\frac{\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\cos ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}}\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}B=\frac{b_1}{b_2}=\frac{\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\sin (3{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}=\frac{\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\sin (2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}\\ =\frac{\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\sin \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\cos ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)+\cos \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}\\ =\frac{1}{\cos \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)+\sin \left(2{\mathrm{\π\ΔfT}}_0\right)\frac{\cos ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}{\sin ({\mathrm{\π\ΔfT}}_0+{\mathrm{\α}}_0)}}\end{array}---\left(8\right)$

消除(7)和(8)中的项，得：

$cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}fT\right)=\frac{AB+1}{A+B}=\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{a_1{b}_2+a_2{b}_1}---\left(9\right)$

由此可得：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{1}{2{\mathrm{\πT}}_0}\arccos \left(\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{a_1{b}_2+a_2{b}_1}\right)---\left(10\right).$

实时采样科氏流量计测量管上检测电磁铁输出信号，当信号幅值变化超过1/10时，利用幅值变化前十个周期的稳定期数据，计算出原有固有频率值f₀，利用幅值变化期连续两个十周期的采样数据，基于幅值变化期信号特征参数识别，通过傅里叶变换获得反映第一次采样信号特征的实部a1与虚部b1参数，以及第二次采样信号特征的实部a2与虚部b2参数，进而通过

$\mathrm{\Δ}f=\frac{1}{2\mathrm{\π}T}\arccos \left(\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{a_1{b}_2+a_2{b}_1}\right),$

计算出固有频率变化量Δf。然后通过f＝f₀+ΔF计算出测量管当前固有频率f。

本发明的有益效果是：通过采样多个周期的检测信号，经过傅里叶变换的数据处理，求出测量管信号频率的变化，去实时计算出当前的固有频率，而不影响科氏流量计的正常计量。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (4)

1.一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，其特征在于：实时采样科氏流量计测量管上检测电磁铁输出信号，当信号幅值变化超过1/10时，利用幅值变化前十个周期的稳定期数据，计算出原有固有频率值f₀，利用幅值变化期连续两个十周期的采样数据，基于幅值变化期信号特征参数识别，计算固有频率变化量Δf，进而通过f＝f₀+Δf计算出测量管当前固有频率f。

2.根据权利要求1所述的一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，其特征在于：对振幅稳定期信号进行一次整数周期采样，通过频谱分析，将功率谱最大时对应的频率，认定为信号的基频f₀，即原固有频率f₀。

3.根据权利要求1所述的一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，其特征在于：对振幅过渡期信号进行两次整数周期采样，通过傅里叶变换获得反映第一次采样信号特征的实部a1与虚部b1参数，以及第二次采样信号特征的实部a2与虚部b2参数，进而通过

$\mathrm{\Δ}f=\frac{1}{2\mathrm{\π}T}\arccos \left(\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{a_1{b}_2+a_2{b}_1}\right),$

计算出固有频率变化量Δf。

4.根据权利要求3所述的一种科氏流量计固有频率的在线预测方法，其特征在于：通过傅里叶变换获取信号特征参数实部a1，a2与虚部b1，b2。