劉陳慈， 徐科軍， 黃 雅

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

通過尿素機添加車用尿素溶液，可與汽車尾氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O，從而達到柴油車排放要求。準確計量尿素流量是尿素機計費的核心問題。市場上絕大部分尿素機所用的流量計均為容積式流量計,計量較為準確，但當被測氣體或液體受溫度或壓力影響而改變體積時，易造成較大誤差。對于尿素機而言，在寒冷地區(qū)計量時易受低溫結(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)量流量計能夠提供高精度和直接的質(zhì)量流量測量，其測量準確且不受溫度與壓力變化影響。為了將科氏質(zhì)量流量計應(yīng)用到尿素機上，首先要解決尿素機加注液體時的信號處理難點。一方面，尿素機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器自動加注，多次的流量切換，給科氏質(zhì)量流量計的動態(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)量流量計安裝在尿素機上，要求科氏質(zhì)量流量計的體積小，因此，制造方選用了微彎管型科氏流量計。它的優(yōu)點是體積小，安裝較為容易，不易殘留雜質(zhì)。但是，對信號處理提出了挑戰(zhàn)。這是因為微彎型科氏質(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算能力的限制，這就需要研究合適的算法，并要求的運算量較少；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，這使得信號處理難度加大。尤其是在尿素機加注末尾階段，微彎型科氏質(zhì)量流量傳感器本來相位差就很小，小流量時的相位差則更小，而較小的相位差由于算法運算時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，在尿素機上應(yīng)用科氏質(zhì)量流量計不僅要求較快的算法跟蹤速度，還要求較高的小流量測量精度。

在啟停測量與需要較快動態(tài)響應(yīng)速度方面，國內(nèi)外學者做了許多研究。Clark等認為流量計的動態(tài)響應(yīng)與機械設(shè)計、驅(qū)動控制以及信號處理等方面有關(guān)[1～3]，并對一批商用流量計做了動態(tài)響應(yīng)實驗[2]；Henry等研制了新型數(shù)字變送器，當流量發(fā)生階躍式變化時，也能達到較高的精度與較好的重復性[4，5]；涂亞慶等對批料流中科氏質(zhì)量流量計動態(tài)響應(yīng)速度進行了研究[6]。但是，鮮見科氏質(zhì)量流量計應(yīng)用于尿素機方面的文獻。

為了將科氏質(zhì)量流量計應(yīng)用到尿素加注機上，首先根據(jù)加注過程中的科氏質(zhì)量流量計的輸出信號，建立相位差變化的數(shù)學模型；根據(jù)此模型，分析加注過程中的流量變化規(guī)律；對比2種工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵱眯Ч^好的信號處理方法，選取其中更為適用的算法，并進行改進；研制微彎型科氏質(zhì)量流量變送器的硬件模塊和軟件?；谝陨舷到y(tǒng)及改進后的算法，進行水流量標定試驗和尿素機加注標定實驗，驗證方案的有效性與實用性。

2 尿素機加注過程與信號建模

2.1 加注過程

為了分析尿素加注機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，分析2路原始信號的相位差的變化情況。

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

為了準確地獲取傳感器輸出信號的變化規(guī)律，針對Endress+Hauser公司生產(chǎn)的DN25的F型號科氏質(zhì)量流量傳感器，匹配課題組研制的變送器，進行尿素加注機測量實驗。在實驗過程中，使用NI公司生產(chǎn)的USB6255數(shù)據(jù)采集卡實時采集傳感器輸出信號，經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)對ADC采集的原始信號進行預處理，消除信號中的高頻噪聲干擾，然后使用合適的算法計算信號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，將實時計算出來的相位差、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線相連，配合Labview軟件采集2路傳感器信號。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的原始信號數(shù)據(jù)，預定加注20 L?？偣?個流量檔位，每個流量檔位測試3次。出于成本考慮，尿素用水代替也能取得同等效果和實驗說服力。

2.2 信號建模

用MATLAB編程，對采集的3個檔位(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)的原始信號計算出的相位差。試驗在每個檔位測試了3次，由于每次加注時的流量變化時間點與變化程度不同，因此，每個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，對該隨時間變化的相位差進行建模。

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，加注機在開啟提槍后，離心泵開啟，而此時水槍未開啟，由于離心泵的抽水壓力沖擊，會給科氏流量計1個較小的流量信號，此時水壓集聚在水槍口；水槍開啟后，流量瞬間到達預設(shè)的大、中和小3個檔位，保持一段時間的較為穩(wěn)定的流量；在加注到17 L左右時，加注人員主動減小流量，流量急劇減??；在末尾階段，加注到接近20 L時，由加注機以最小流量自動加注，直至加注滿20 L。

在忽略較小擾動的情況下，尿素機加注可大致分為3個階段：快速上升階段、平穩(wěn)加注階段和降流速關(guān)閥門階段。可以用一次斜坡函數(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，無法準確地去描述。具體地，科氏流量計輸出信號隨時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為時間；t1為尿素加注機開啟時刻；t2為當前檔位流量達到最大的時刻；t3為尿素加注機開始降速時刻；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，到達該檔位的最大值后，保持了一段時間，又較快地跳躍下降，最后緩慢到零。這種動態(tài)測量過程，不僅要求科氏質(zhì)量流量計響應(yīng)速度要快，信號處理速度要快，更要求小流量的測量精度要高。不考慮安裝空間時，常用的大彎管型科氏質(zhì)量流量計的工作頻率一般在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)。這對信號處理和驅(qū)動提出了更高的要求。

3 信號處理與驅(qū)動方法研究

3.1 2種常用信號處理算法的比較

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

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

s1(n)=A1cos(ωn+θ1)
s2(n)=A2cos(ωn+θ2)

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

(2)

考慮負頻率的影響：

(3)

(4)

過零檢測算法是通過記錄信號過零點的時刻，得到過零點間的時間間隔，進而求取信號頻率和時間差[7]，實現(xiàn)流量測量，如圖2所示。由圖2可得，信號頻率為f=1/(tR3-tR1)，2路信號的時間差為Δt=tR2-tL2，相位差為Δθ(t)=360Δtf。

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

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

分析2種典型算法的運算量與實時性，選用較為適合的過零檢測算法，既能實時反映當時的流量情況，又能保證較高的采樣精度。對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行離線處理，從動態(tài)響應(yīng)速度的角度出發(fā)，提出算法改進的辦法。

在尿素加注機上使用科氏流量計，要求DSP芯片具有較少的算法運算時間，以滿足實時性的要求，這也是標定達到較高精度的必要條件之一。為了減少算法的運算時間，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雜度。由于DTFT算法每個采樣點都參與運算，而過零檢測算法只有過零點參與運算。經(jīng)過不斷的測試和大量的實際應(yīng)用，DTFT算法采樣100點調(diào)用一次算法，過零檢測算法采樣500點調(diào)用一次算法，能保證相位差的計算精度。

在DSP芯片選型上，選用了TMS320F28335型號，其指令執(zhí)行速度為150 MIPS(百萬條指令每秒)，配合外擴的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，算法的執(zhí)行時間如表1所示。

表1 TMS320F28335的處理時間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)行時間少于調(diào)用數(shù)據(jù)所需時間，高于2 kHz的采樣頻率均會由于運算跟不上ADC采樣速率而造成ADC數(shù)據(jù)采集冗余，實時性下降。如果采用過零檢測算法，則可以做到7.5 kHz的采樣頻率而保證實時性。選用的科氏質(zhì)量流量傳感器滿管時的固有頻率為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，遠遠達不到高精度的要求。而選用過零檢測算法可以把采樣頻率提高到7.5 kHz，達到10倍于傳感器固有頻率要求；同時，也能保證算法的實時性。因此，選用過零檢測算法，同時將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的折中的滑動平均數(shù)組長度Nmean值，理論上標定可以達到較高精度。

3.2 過零檢測算法的改進

3.2.1 信號預處理

由于實際工業(yè)現(xiàn)場具有許多噪聲，例如，隨機噪聲、電機與管道振動等高頻干擾，因此，設(shè)置低通濾波來進行信號預處理，截止頻率設(shè)置為選用的微彎型傳感器的滿管時固有頻率667 Hz，這樣就濾除了高頻雜波干擾，提高了測量精度。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，能夠最小限度地降低對信號的影響；二階濾波器通帶以外的頻率分量衰減速度快，濾波效果好，且電路簡單，僅需一個運放就能實現(xiàn)[12]。

3.2.2 四點插值

為了提高正弦信號零點檢測的精準度，對三點拉格朗日插值方法進一步改進，選用了精確度更高的四點拉格朗日插值方法進行曲線擬合。由于正弦信號在零點處的曲線是奇對稱的，因此，圍繞零點選擇4點進行擬合比3點更具有幾何上的對稱性，其曲線擬合也更加切合實際曲線。當采樣序列中相鄰2點滿足x(n-1)×x(n)<0的條件時，選擇零點左右各兩點，即x(n-2)、x(n-1)、x(n)、x(n+1)四點進行拉格朗日插值，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計算問題，由于正弦波在過零點處具有較好的線性及對稱性，因此，將采樣信號的數(shù)值與時刻值交換過來進行四點插值計算，即x(n-2)、x(n-1)、x(n)、x(n+1)由因變量變?yōu)樽宰兞浚?個點的對應(yīng)下標值由自變量變?yōu)橐蜃兞?。則得到新的插值公式為：

(6)

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

3.2.3 相位差后期處理

滑動平均數(shù)組長度Nmean是算法中后期數(shù)據(jù)處理的重要手段。將經(jīng)過一級平均處理后的相位差保存到該數(shù)組中，當保存的數(shù)據(jù)長度少于Nmean時，只對已保存的相位差取均值；當保存的數(shù)據(jù)長度一旦達到Nmean時，調(diào)動滑動平均處理，對該點與之前保存的Nmean-1點相位差取均值，然后使用此時算出來的相位差代替先前計算的相位差。Nmean就是為了減少奇異點對計算結(jié)果的影響。Nmean較大時，能夠減少相位差波動帶來的影響，顯示出來的相位差不會有較大波動，但會影響動態(tài)響應(yīng)速度，不適用于流量頻繁變化的場合；Nmean較小時，系統(tǒng)具有較快的算法響應(yīng)速度，在流量頻繁變化時，能快速響應(yīng)，實時計算顯示此時的流量。所以，可通過改變Nmean的值來改變算法響應(yīng)速度；同時，也要考慮相位差波動帶來的影響，以保證測量精度。

使用MATLAB編寫過零檢測算法，計算采集的原始信號的相位差。依次改變算法后期處理的滑動平均數(shù)組長度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平均數(shù)為6時響應(yīng)最快，8和10時次之，20時響應(yīng)最慢。在各檔位對應(yīng)的最大流量的平穩(wěn)過程中，滑動平均數(shù)為6時相位差波動最大，8和10時次之，20時最平穩(wěn)，波動最小。

為了評估各滑動平均數(shù)的測量效果，在大檔位下做了實驗測試，測試結(jié)果如表2所示。

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

由表2可知，當Nmean=10時，測量具有較小的測量誤差與較好的重復性。因此，取Nmean=10、采樣頻率為7 500 Hz，使用過零檢測算法每采樣500點調(diào)用一次算法更加適合尿素加注機的測量。

3.3 數(shù)字驅(qū)動方法

在驅(qū)動方式方面，傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動方法驅(qū)動信號依賴傳感器信號、驅(qū)動增益控制不靈活，其有限的驅(qū)動增益和簡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合。因此采用基于DDS和MDAC的數(shù)字驅(qū)動方法，結(jié)合非線性幅值控制算法，從而實現(xiàn)對流量管的驅(qū)動控制。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)動方式能快速跟蹤傳感器頻率相位。全數(shù)字驅(qū)動頻率跟蹤性能強，當固有頻率發(fā)生突變時，由于數(shù)字驅(qū)動是實時檢測傳感器輸出信號的，因此，能通過頻率估計算法算出當前的頻率，從而給出相應(yīng)的驅(qū)動信號。即使不能實時給出合適的驅(qū)動信號，也能判斷出頻率發(fā)生了較大變化，從而運用起始時的啟振方法能快速使流量管再次進入新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。因此，選用全數(shù)字驅(qū)動方式，既能滿足實時性要求，也能保證較好的標定精度。

DSP實時采集傳感器信號，得到信號的頻率、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，作為驅(qū)動信號源。該信號接入到MDAC(乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的模擬輸入端。DSP得到傳感器信號的幅值信息后，調(diào)用幅值控制算法，求得數(shù)字驅(qū)動增益，送至MDAC的數(shù)字輸入端。MDAC將數(shù)字端與模擬端信號相乘經(jīng)功率放大后即可輸出包含幅值、頻率、相位信息的驅(qū)動信號。其原理框圖如圖9所示。

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

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗驗證

將改進后的算法在研制的基于DSP的科氏質(zhì)量流量變送器上實時實現(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，首先做了水流量標定試驗，檢測科氏質(zhì)量流量計的測量精度；再做尿素加注機加注的標定試驗，考核科氏質(zhì)量流量計在尿素加注機中的動態(tài)響應(yīng)速度和測量精度。

4.1 系統(tǒng)實現(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C28x定點CPU和一個浮點運算單元FPU，片上有McBSP、SPI、DMA、SCI、ePWM等豐富的外設(shè)資源，有利于實現(xiàn)儀表的各種功能，主要包括信號輸入調(diào)理單元、數(shù)字驅(qū)動電路、DSP數(shù)字信號處理模塊、人機接口及通訊電路以及溫度補償單元[13]。這可以實現(xiàn)傳感器輸出信號的采集與調(diào)理、驅(qū)動信號的合成與輸出、流量的計算與顯示等功能[14～15]。

4.1.2 系統(tǒng)軟件模塊

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計。即采用獨立模塊實現(xiàn)系統(tǒng)各個功能，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、人機接口、流量信號輸出、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)用算法計算流量，并進行溫度補償；最后，根據(jù)計算出的流量，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，并與上位機通訊，將結(jié)果顯示在上位機界面上。最后返回，繼續(xù)循環(huán)計算。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 水流量標定實驗

采用稱重法進行水流量標定實驗。先在管道以最大流量沖水沖一段時間，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，運行程序一段時間，通過上位機GUI軟件監(jiān)測變送器計算出的相位差，不斷清空直至零點較為穩(wěn)定，測量1 000點，保存數(shù)據(jù)，平均該段數(shù)據(jù)的零點相位差，再通過GUI設(shè)入儀表參數(shù)的零點。零點修正后，開始標定，在顯示的相位差較為穩(wěn)定的情況下開始第一次標定。標定完最大流量點后，按照平均誤差修改儀表系數(shù)。繼續(xù)標定，若整個標定完后最大流量點發(fā)現(xiàn)誤差仍較大，則按照最后一次最大流量點的平均誤差再次修改儀表系數(shù)，重新標定，標定5個流量點(最大流量、最大流量的50%、20%、10%、最大流量)的標定結(jié)果。標定裝置對脈沖的計數(shù)值乘以脈沖當量后作為測量值，電子秤的稱重值作為流量的標準值，比較測量值和稱重值即可得到科氏質(zhì)量流量計的測量誤差。實驗裝置如圖12所示。該裝置的不確定度水平為0.05%，符合國家對0.1級科氏質(zhì)量流量計的檢定標準。標定的結(jié)果如表3所示。

表3 水流量標定實驗數(shù)據(jù)Tab.3 The water calibration experimental data

圖12 水流量標定裝置Fig.12 Calibration device schematic

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

4.3 尿素機測試實驗

實驗采用容積法標定，液體由尿素機水箱流出，經(jīng)輕型立式多級離心泵抽水，先流經(jīng)E+H公司生產(chǎn)的口徑DN25型號為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，用以檢測是否達到預定加注升數(shù)，該表測量的最大允許誤差為±0.2%，最后經(jīng)水槍流入標準金屬量器中。

該量器是由河北海興東方計量儀器有限公司生產(chǎn)的BJL型號，容量20升，測量精度0.025%，符合國家對0.1級科氏質(zhì)量流量計的檢定標準。測量過程使用脈沖計數(shù)，計數(shù)設(shè)備為美國芬蘭貝美克斯Beamex MC2多功能校驗儀。現(xiàn)場尿素加注裝置如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場尿素加注裝置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) 將水槍口放入標準金屬量器中，打開水槍，按至預定擋位，向標準金屬量器中加水。

3) 加注人員檢測加注機上顯示的已加注升數(shù)，至17 L時，主動減小流量，以免末尾階段沖擊過大液體濺出，導致標定誤差。

4) 加注至接近20 L時，由機器自動控制以最小流量流入，直至加注機儀表上顯示已加注至20 L。記錄標準金屬量器的示數(shù)，根據(jù)廠商給出的公式換算成對應(yīng)的升數(shù)；變送器實時測量流體流量值，并采用脈沖輸出的方式，將脈沖數(shù)上傳到Beamex MC2多功能校驗儀中。標定裝置對脈沖的計數(shù)值乘以脈沖當量后作為測量值，標準金屬量器的換算值作為流量的標準值。

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

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

表4 滑動平均數(shù)組長度設(shè)為10的實驗結(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)量流量計應(yīng)用在尿素加注機上，根據(jù)實際尿素加注過程采集了傳感器輸出的原始信號，使用MATLAB編寫過零檢測算法，計算出尿素機從開啟到停止的加注過程3個流速檔位的相位差隨時間變化過程，并建立了模型，較好地描述實際加注過程的信號相位差變化；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，能夠較好地描述實際加注過程中傳感器信號相位差的變化。

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，這就對尿素機加注過程中的動態(tài)響應(yīng)速度、小流量的測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、實際應(yīng)用效果較好的DTFT算法與過零檢測算法的優(yōu)缺點，得出僅過零檢測算法既能滿足采樣精度，又能保持較高的動態(tài)響應(yīng)速度的結(jié)論；分析了滑動平均數(shù)組長度對算法的響應(yīng)速度的影響。進行不同擋位下的加注測試以評估出最合適的滑動平均數(shù)組Nmean，最后得出滑動平均數(shù)組設(shè)為10時，既能滿足實時性要求，又能保持較好的測量精度；分析選用了全數(shù)字驅(qū)動方法進行驅(qū)動，適用于尿素機加注場合。

改進的數(shù)字信號處理算法在以TMS320F28335為核心的科氏質(zhì)量流量變送器上實時實現(xiàn)，并進行了水流量標定和尿素機加注標定實驗。實驗結(jié)果表明：算法改進后，在水流量標定實驗中，12:1的量程范圍內(nèi)，測量誤差小于0.1%，重復性誤差小于0.05%，性能優(yōu)良；在尿素加注標定實驗中，測量誤差小于0.1%，被檢表重復性誤差小于0.05%，達到0.1級測量精度，具有較高的精度與優(yōu)良的性能。