DSP數(shù)字信號(hào)處理器在科里奧質(zhì)量流量計(jì)上的應(yīng)用

艾默生過(guò)程管理旗下的高準(zhǔn)(Micro Motion)公司新近推出MVD多參數(shù)數(shù)字變送器，它以DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的使用為特點(diǎn)，顯示了高準(zhǔn)公司在科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)上的雄厚實(shí)力。
　　
　　高準(zhǔn) MVD多參數(shù)數(shù)字技術(shù)提供了一個(gè)模式化的結(jié)構(gòu)來(lái)重新定義傳感器和變送器，并使流量計(jì)工作得更靈巧。DSP數(shù)字信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)正比于質(zhì)量流量的電子信號(hào)。
　　
　　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線電纜相連接，它們將輸出最終測(cè)量信號(hào)、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(shù)字信號(hào)處理器
　　
　　DSP數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號(hào)的微處理器。家用電腦的微處理器根據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作，這對(duì)于結(jié)算支票或玩電子游戲是合適的，但它不能處理某些現(xiàn)實(shí)世界里的東西，如音頻信號(hào)、視頻信號(hào)、醫(yī)療傳感器的信號(hào)或來(lái)自于科里奧利傳感器的信號(hào)。這里我們需要一個(gè)非?？斓奈⑻幚砥鲗?duì)這些信號(hào)做各種我們想要做的分析。
　　
　　家用電腦需要顯示器、磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、軟件和一些連接電纜，像家用電腦里的微處理器一樣，DSP數(shù)字信號(hào)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(xiàn)實(shí)世界里的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為DSP世界里的信號(hào)，所用的裝置被稱為“模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器”。
　　
　　我們也需要一些軟件去操作“數(shù)字化”信號(hào)，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(yuǎn)距離通話中，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(xí)慣于過(guò)濾掉短回聲，但是長(zhǎng)回聲使通信非常困難。電話公司復(fù)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(fù)雜的DSP數(shù)字信號(hào)處理軟件過(guò)濾掉了。在科里奧利流量計(jì)里，我們使測(cè)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(zhǔn)確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號(hào)很可能來(lái)源于與附近動(dòng)力線的耦合。如何在實(shí)際上“過(guò)濾”這些多余的信號(hào)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(xiàn)在原轉(zhuǎn)換器信號(hào)上，以及被過(guò)濾后的最終信號(hào)。
　　　既然我們已經(jīng)處理了信號(hào)，就需要把它從數(shù)字世界再轉(zhuǎn)換回到現(xiàn)實(shí)世界，完成這項(xiàng)任務(wù)的裝置是“數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器”。 我們需要一些存儲(chǔ)器來(lái)儲(chǔ)存DSP數(shù)字信號(hào)處理程序，也需要一些控制裝置去實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)字信號(hào)處理器。
　　
　　二 DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為科里奧利質(zhì)量流量計(jì)帶來(lái)的好處
　　
　　和家用電腦處理數(shù)據(jù)帶來(lái)的好處一樣，DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也給處理現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)帶來(lái)了同樣的好處：DSP數(shù)字信號(hào)處理器比傳統(tǒng)的模擬處理器要小得多，這正是我們?nèi)绾文馨阉屑夹g(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(tǒng)的模擬處理器，DSP數(shù)字信號(hào)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(shù)字信號(hào)處理器的精確度至少比類似的模擬處理器高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著即使較差的傳感器信號(hào)也能得出較好的最終測(cè)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型。對(duì)于高準(zhǔn)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這意味著市場(chǎng)開拓更快；對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這意味著更少的備用部件。
　　
　　三 和DSP數(shù)字信號(hào)處理器有關(guān)的一些數(shù)學(xué)知識(shí)
　　
　　自然界存在的信號(hào)一般是連續(xù)的，并可被連續(xù)變化的電壓信號(hào)所表示?？评飱W利流量計(jì)的信號(hào)也是連續(xù)信號(hào)，當(dāng)我們通過(guò)一個(gè)模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)發(fā)送信號(hào)時(shí)，事實(shí)上我們已把信號(hào)量化為離散的或數(shù)字化的樣本。例如，假設(shè)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(zhuǎn)換器的電壓，每毫秒我們將信號(hào)量化為212=4096個(gè)可能的級(jí)別之一。圖2顯示了一個(gè)已被量化后的信號(hào)。

　　ADC運(yùn)行一秒我們可采集1000個(gè)轉(zhuǎn)換器電壓的樣本，我們稱樣本的數(shù)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(jì)算轉(zhuǎn)換器電壓的平均值。以一個(gè)類似的形式我們可計(jì)算信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，平均值代表我們想測(cè)量的實(shí)際信號(hào)，而標(biāo)準(zhǔn)偏差代表噪聲信號(hào)。平均值的平方除以標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方被稱作信噪比或SNR。信噪比越高，被分析的數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越高。這些計(jì)算可用于計(jì)算被測(cè)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(guó)數(shù)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(rèn)為任何連續(xù)的周期信號(hào)可被適當(dāng)選擇的正弦信號(hào)波的總和所描述。取一個(gè)連續(xù)的周期信號(hào)并把它轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)上很復(fù)雜，但我們只需大致了解即可。核心處理器取已量化的轉(zhuǎn)換器信號(hào)并進(jìn)行了信號(hào)的傅立葉變換，如圖3所示。
　　
　　五 數(shù)字濾波
　　
　　圖3中信號(hào)的頻譜，只有一個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)，其余的都是噪聲，100Hz的信號(hào)代表了測(cè)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(hào)，這些被稱為二次、三次和四次諧波。我們還看到了一個(gè)來(lái)源于動(dòng)力線耦合的60Hz的小信號(hào)。
　　
　　這些數(shù)據(jù)在DSP的存儲(chǔ)器里只是一個(gè)表格，我們想做的是拋棄任何實(shí)際測(cè)量中所不需要的信息，也就是要忽略掉100Hz測(cè)量管頻率之外的信息，這被稱為數(shù)字濾波。
　　
　　注意到在圖3中只有一個(gè)信號(hào)在100Hz測(cè)量管頻率附近，在較老的傳感器中，通常確定信號(hào)附近什么是數(shù)據(jù)和什么是噪聲都是非常困難的。高準(zhǔn)傳感器在測(cè)量管工作頻率附近有一個(gè)格外高的信號(hào)純度，這就是高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)具有高精確度的一個(gè)重要原因。
　　
　　六 DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際意義
　　
　　與使用時(shí)間常量去阻抑和穩(wěn)定信號(hào)相比，使用DSP數(shù)字信號(hào)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(hào)，這使得流量計(jì)對(duì)流量的階躍變化的響應(yīng)時(shí)間快多了。使用MVD多參數(shù)數(shù)字變送器的響應(yīng)時(shí)間比使用模擬信號(hào)處理的傳統(tǒng)變送器快2~4倍，更快的響應(yīng)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(jī)測(cè)試裝置里，我們能更好地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料噴射的階躍變化的響應(yīng)。用一個(gè)緊湊的校驗(yàn)裝置還能提高現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)高準(zhǔn)流量計(jì)的能力。圖4是MVD多參數(shù)數(shù)字科里奧利變送器、壓力變送器和普通科里奧利變送器對(duì)流量的階躍變化的響應(yīng)。

　　DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)另一個(gè)頗有價(jià)值的實(shí)例是氣體測(cè)量。氣體測(cè)量是一個(gè)更富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因?yàn)楦咚贇怏w通過(guò)流量計(jì)會(huì)引起相對(duì)較嚴(yán)重的噪聲。通過(guò)高準(zhǔn)Elite系列傳感器，與流量信號(hào)混雜的噪聲已被減至最小?，F(xiàn)在DSP數(shù)字信號(hào)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(jì)對(duì)噪聲的敏感度。采用MVD多參數(shù)數(shù)字變送器測(cè)量氣體的結(jié)果在重復(fù)性和精確度上都有了顯著提高，效果如圖5、圖6所示。

　　七 未來(lái)
　　DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提供了一個(gè)“通往處理的窗戶”，今天，當(dāng)瀏覽這個(gè)窗戶時(shí)，首先集中在測(cè)量管振動(dòng)頻率附近的信號(hào)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(shù)據(jù)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(dǎo)我們?nèi)〉迷趭A雜空氣或團(tuán)狀流動(dòng)流體測(cè)量上的進(jìn)展，流體在測(cè)量管內(nèi)壁的附著也是另一個(gè)有希望被DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)檢測(cè)到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預(yù)測(cè)傳感器的故障。
　　
　　八 總結(jié)
　　今天，DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)通過(guò)給予質(zhì)量流量計(jì)一個(gè)更快、更可靠、更高效、更穩(wěn)定、更靈活的的解決辦法，體現(xiàn)了它的價(jià)值。這也使得我們的傳感器更靈巧。對(duì)于未來(lái)，高準(zhǔn)公司充滿了信心，DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將在推動(dòng)流量測(cè)量上顯示出巨大的潛力。