基波相位补偿脉冲输出式流量计检定新方法
为实现脉冲输出式流量计多台位、高精度检定，提出一种基于基波相位流量计多路脉冲计数补偿的新方法。阐述了基波相位补偿原理，采用前置数字 Butterworth 滤波器，解决在强谐波干扰下无法提取基波信号的问题。利用自适应陷波器状态变量周期轨道，计算计数起止时刻基波相位，实现计数补偿。仿真试验结果表明，该方法能有效获取基波相位，对 3 路不同步脉冲信号进行精度补偿，计数误差小于 ± 0． 06，能有效提高流量计的检定效率和检定精度。
0.引言
脉冲输出式流量计输出信号简单、抗干扰性强、易于传输，在生产实际中得到广泛应用，一般采用测频法对其进行检定。测频法包括直接测频法、模拟内插法、游标法、脉冲衰减法、多周期同步法、全同步法等。其中，***常用的直接测频法测量结果含 ± 1 个字的计数误差。模拟内插、游标法与脉冲衰减法也是高精度时间数字转换器常见的设计方法，但对于流量计100 μs ～ 100 ms 范围脉冲间隔时间的测量，这些方法存在电路规模大、动态范围有限及易受干扰脉冲影响等问题 。多周期同步法被测信号和闸门信号同步，消除了被测信号 ± 1 个字计数误差，但基频信号仍存在 ± 1 个字的计数误差 。全同步法实质是一种相位同步法，其消除了基频误差，但测量时间长，且无法进行多路测量 。为解决目前脉冲输出式流量计无法多路测量、检测精度低、测量结果受干扰脉冲影响及高精度频率测量需要基频信号发生装置等问题，文中研究了一种基于脉冲基波相位测量的多路不同步脉冲计数补偿新方法。
1.多路脉冲计数补偿原理
流量计输出脉冲频率 f 与流过管道的体积流量 q成正比，K = f /q 为仪表系数。考虑流量 q 范围及各类流量计仪表系数 K，流量计输出频率 f 范围为 10 ～ 10 kHz。
按照计量检定规程，容积法、标准表法或称重法，检定装置均有***短检定时间 tmin 限制，即检定时间 tm ＞ tmin 。
图 1 为多路脉冲与闸门信号波形图，各路信号与闸门信号不同步，因而均存在 ± 1 个字的计数误差。集成检定多台流量计时，为保证检定效率，tm 不能过大，因此脉冲输出频率低的流量计检定结果相对误差大。
各类能提高精度的方法，具体技术手段均是通过减小闸门信号与相邻脉冲上升沿时间差来减小计数误差。相位补偿原理与之近似，图 2 为通过获取脉冲信号在闸门信号发生时刻相位 φ 进行精度补偿的原理示意图。
多路脉冲补偿的原理是: 对任意 i 路脉冲信号进行测相处理，获取其在计数启停时刻的相位 φsi 、φei ，并根据式( 1) 、( 2) 进行计数补偿。然而，流量计受现场机械振动及流场不稳定因素影响，其输出信号可能存在干扰脉冲。因而，通过直接测量 t1 － t0 、t3 － t2 计算相位进行精度补偿方法可能会恶化测量结果。自适应陷波滤波器( adaptive notch filter，ANF) 可自动使陷波频率跟随输入信号频率变化，抑制噪声，并可提取信号幅值、频率、相位，其在理论研究及工程应用上都受到广泛重视 。下面讨论自适应陷波器提取脉冲计数起止时刻基波信号相位的具体实现方法。
2.周期脉冲信号相位提取技术
ANF 虽然是理论研究及工程应用热点，但 Ｒegalia提出的 ANF 受正弦信号幅值、频率相互高度耦合的影响，频率估计暂态响应速度受幅值大小影响 。Liu 在Ｒegalia 基础上设计了一种收敛速度不受幅值影响的全局收敛归一化 ANF，但仅能处理单正弦输入信号 。
Mohsen 研究的固定自适应增益 γ 的 ANF 能很好地处理受谐波干扰的正弦输入信号，近年来获得广泛工程应用 ，但该 ANF 不能很好地提取周期脉冲信号的基波且收敛速度受幅值影响 。ANF 不能很好地处理周期脉冲信号的关键在于谐波叠加干扰，如能利用 Butterworth 滤波器滤除 5 次谐波及以上分量，则能为 ANF 提供更高信噪比的输入信号。脉冲信号相位提取流程框图如图 3 所示。
2． 1 数字 Butterworth 滤波器设计
Butterworth 滤波器在线性相位、衰减斜率和加载特性三方面特性均衡。其频率归一化传递函数为:
的实时相位分别为 φs 、φe 。由于式( 1) 为差分结构，并且流量计检定过程中有保持供水压力恒定的要求，因而利用式( 1) 求补偿计数值 Nc 时可不考虑低通滤波导致的相位损失。
3.仿真及试验
3． 1 仿真试验
设关于时间轴对称的周期脉冲信号 f ( t) 幅值为A，角频率为 ω，那么其傅里叶级数展开式为:
卡接入 2 台流量计及 2 台标准表输出脉冲信号( 标准表频率分别为 6 Hz、80． 1 Hz) 。利用上升沿检测手段检测 4 路脉冲信号并对 6 Hz 信号实现整周期截取，产生48 s标准时间信号，以满足 tm ＞ tmin 检定时间要求。调节流量计脉冲当量，使其输出 100 ～ 800 Hz 的信号。上位机对输入脉冲信号振幅做 ± 1 处理，并乘 π/4，即输入信号基波为 y =sin( ωt + φ) 。在算法开始运行前对流量计信号进行测周处理，并据此预设 4 阶 Butterworth 低通滤波器通带角频率 ω0 ，ANF 角频率估计初值 θ0 。ANF 阻尼比 ξ =0． 15，自适应因子 γ =5。表 1 为 4 组 3 路输入脉冲信号进行计数补偿试验数据。从表 1 可看出，上升沿检测法计算所得脉冲个数均存在± 1 个字的计数误差，经补偿后计数误差均小于 ± 0． 06个。上位机通过写 dat 文件保留现场运行数据。
图 5 为根据现场运行数据还原的输入响应曲线与角频率估计曲线。其中，图 5( a) 为状态变量 x1 、x2 在200 Hz 脉冲输入时的响应曲线，图 5( b) 为频率估计值收敛曲线。
4.结束语
为实现脉冲输出式流量计多台位高精度检定，提出并实现了一种基于基波相位补偿的新方法。理论仿真与试验验证表明: ① 采用前置数字 Butterworth 滤波器的方法提高抗谐波干扰能力，可很好地限制无限次奇次谐波叠加引起的干扰; ② 配合前置测周，预估角频率周期，角频率收敛速度快，自适应陷波器可在1 s内进入其周期轨道，获取准确基波相位时间短; ③ 频率、相位估计准确性在多路脉冲计数补偿中得到验证，3 组不同步计数补偿试验说明计数误差小于 ± 0． 06 个。这种通过实时计算信号相位进行计数补偿方法能有效提高脉冲计数检定精度，提高多路并行检定的实用性。在检定装置流场稳定情况下补偿方法效果良好，对在流场不稳定的情形下实现多台位高精度检定还需进一步研究。