一種科氏流量計的改進(jìn)驅(qū)動電路研究

候山山, 黃丹平,2,3, 徐同旭, 郭康, 張芯豪

(1.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 四川自貢643000; 2.人工智能四川省重點(diǎn)實驗室, 四川自貢643000;3.固態(tài)釀造關(guān)鍵技術(shù)研究四川省院士(專家)工作站, 四川自貢643000)

一種科氏流量計的改進(jìn)驅(qū)動電路研究

候山山1, 黃丹平1,2,3, 徐同旭1, 郭康1, 張芯豪1

(1.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 四川自貢643000; 2.人工智能四川省重點(diǎn)實驗室, 四川自貢643000;3.固態(tài)釀造關(guān)鍵技術(shù)研究四川省院士(專家)工作站, 四川自貢643000)

穩(wěn)定振動的流量管保證著科氏流量計流量測量的準(zhǔn)確性，而維持流量管振動的關(guān)鍵是流量計驅(qū)動電路?，F(xiàn)階段科氏質(zhì)量流量計模擬驅(qū)動存在一種驅(qū)動電路驅(qū)動一種型號一次儀表、電路離散元器件繁多、驅(qū)動信號幅值不穩(wěn)定等問題，從而導(dǎo)致流量管振動不穩(wěn)定，影響流量計算。針對其問題，改進(jìn)模擬驅(qū)動電路，由VCA810和OPA820集成芯片組成的自動增益模塊替代離散元器件組成的增益電路，由以TDA2030為核心芯片的集成功放模塊代替原有功率放大電路。在驅(qū)動電路中，可調(diào)整增益模塊穩(wěn)幅單元來改變輸出信號幅值，使驅(qū)動電路滿足不同一次儀表對功率的需求，從而實現(xiàn)驅(qū)動多種型號一次儀表的功能。對所研發(fā)試驗級驅(qū)動電路進(jìn)行測試，實驗結(jié)果表明所研發(fā)驅(qū)動電路可以驅(qū)動不同型號一次儀表，起振時間滿足實際工況需求。

改進(jìn)電路;集成模塊;平穩(wěn)驅(qū)動;可調(diào)增益

引言

科氏質(zhì)量流量計是發(fā)展迅速的新型質(zhì)量流量計之一，因其測量流體質(zhì)量高準(zhǔn)確度、較長使用壽命與不受流體壓強(qiáng)、腐蝕性影響的特點(diǎn)，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用?？剖狭髁坑嬛饕蓛刹糠諿1]組成，其一為一次儀表，即流量傳感器，由流量管、速度傳感器、溫度檢測傳感器、電磁激振器等組成，一般封裝在金屬防爆殼內(nèi)；第二部分為二次儀表，由信號處理系統(tǒng)、顯示模塊和驅(qū)動電路組成，其中驅(qū)動電路為流量管穩(wěn)定振動提供能量。市場銷售與應(yīng)用的科氏流量計，基本使用模擬驅(qū)動方法驅(qū)動流量管，維持流量管振動。

然而，目前所研究模擬驅(qū)動電路多采用離散元件，占用體積大，元件之間干擾較多，驅(qū)動信號幅值不穩(wěn)定，且不能驅(qū)動不同型號一次儀表，因此影響流量測量，增加生產(chǎn)成本。本文提出一種改進(jìn)傳統(tǒng)模擬驅(qū)動電路的方法，用集成芯片替代離散元器件組成的電路模塊，使模擬驅(qū)動電路趨于模塊化，結(jié)構(gòu)精簡，占用空間更小，并減少元器件和外部環(huán)境對驅(qū)動電路干擾，輸出穩(wěn)定幅值的驅(qū)動信號，使流量管平穩(wěn)起振，且起振速度更快。此外，還可驅(qū)動多種不同型號一次儀表，降低成本。

1 科氏流量計自激振動原理

科氏流量計自激振動系統(tǒng)[1-5]結(jié)構(gòu)如圖1所示。自激振動系統(tǒng)由模擬驅(qū)動電路、流量管和電磁激振器組成。

圖1 科氏流量計自激振動結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動電路通過流量管兩端速度傳感器獲取振動信號，該信號經(jīng)過放大濾波后，再經(jīng)自動增益、功率放大模塊得到驅(qū)動信號，驅(qū)動電磁激振器，使流量管以一定規(guī)律振動，其振動再由傳感器捕獲，形成回路，由此建立起自激振動。

自激振動平衡的條件為[1-3]：

|H(jω)F(jω)|=1

(1)

式(1)為幅值平衡條件。模擬驅(qū)動系統(tǒng)若滿足公式(2)條件，則流量管可自行起振。

|H(jω)F(jω)|>1

(2)

2 模擬驅(qū)動電路組成

由圖1中可知，科氏流量計模擬驅(qū)動電路[6-8]主要包含四部分，初級放大電路、低通濾波電路、自動增益模塊和功率放大模塊。在驅(qū)動系統(tǒng)工作時，傳感器輸出信號與高頻干擾信號，經(jīng)初級放大電路進(jìn)行放大，再輸入到低通濾波電路，濾除高頻信號，保留流量管主頻附近的信號。

自動增益模塊接收來自濾波電路輸出的信號，其輸出為與輸入呈反向的正弦曲線，從而保證驅(qū)動力相位的自適應(yīng)滿足[6]，無需移相操作。同時自動增益穩(wěn)幅單元，控制輸出信號的幅值，使其穩(wěn)定在期望幅值附近，以保證流量管振動的穩(wěn)定性。

功率放大模塊為流量管振動提供能量，來自自動增益模塊的穩(wěn)幅信號將被放大為穩(wěn)定幅值的驅(qū)動信號，驅(qū)動流量管振動。功放增益效果好壞，將直接影響流量管驅(qū)動效果。

3 模擬驅(qū)動電路改進(jìn)方案

傳統(tǒng)模擬驅(qū)動電路能夠驅(qū)動流量管，使其以接近主頻進(jìn)行振動。但是其驅(qū)動電路中離散元件較多，如圖2所示，元件之間易產(chǎn)生相互干擾，影響驅(qū)動效果。首先，當(dāng)驅(qū)動電路處于工作狀態(tài)時，過多的離散元器件將產(chǎn)生相互干擾，易在驅(qū)動信號中引入噪聲，從而導(dǎo)致流量管振動不穩(wěn)定。其次，一個模擬驅(qū)動電路通常只能使一種型號儀表的流量管起振，兼容性差。此外，過多離散元器件增加了驅(qū)動電路本身尺寸，從而增加儀表本身尺寸，給儀表安裝造成不便。

圖2 離散元器件模擬驅(qū)動電路

針對離散元器件可能產(chǎn)生的問題，本文提出由放大濾波模塊、自動增益模塊和功放模塊三部分組成的模擬驅(qū)動電路。放大濾波模塊為帶放大信號作用的二階低通濾波器，自動增益模塊為使用VCA810和OPA820芯片組成的自動增益控制電路，功放模塊為采用TDA2030芯片組成的功放電路。該驅(qū)動電路減少離散電子元件使用數(shù)量，精簡電路結(jié)構(gòu)，減少噪聲的引入，從而增加流量管振動平穩(wěn)性，提高流量管起振速度。

3.1低通濾波器

若采用一階濾波器進(jìn)行濾波，雖其結(jié)構(gòu)簡單，但經(jīng)過一階濾波器濾波后，信號相位與幅值發(fā)生較大改變。因科氏質(zhì)量流量計對驅(qū)動信號相位與幅值要求較高，一階濾波器濾波后信號相位與幅值發(fā)生嚴(yán)重變形，直接影響流量管起振效果。因此，采用帶放大作用的二階濾波器[9-10]處理信號。

如圖3所示，為所研發(fā)二階低通濾波電路。所研發(fā)電路采用C1、R1、R2、R3、C2、C3、Rf和OP297組成二階低通濾波器，來消除傳感器輸出信號中高頻成分，提高起振信號頻率精度。與一階濾波器相比較，二階濾波器隔高頻性能更好，通帶衰減更快。由于現(xiàn)有科氏質(zhì)量流量計最高信號起振頻率1000 Hz以下，在研發(fā)電路中，采用具有精密、低通道、低失調(diào)電壓和低溫漂的集成芯片OP297，組成二階濾波器。該濾波器具有良好的濾除高頻信號特點(diǎn)，可提高起振電路工作性能。

圖3 二階低通濾波電路圖

在濾波電路中，可通過調(diào)整R2和Rf電阻值來調(diào)整濾波電路的截止頻率，截止頻率計算公式為：

(3)

對所研發(fā)二階濾波電路濾波性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4與圖5所示。圖4為疊加干擾信號的傳感器信號，圖5為二階濾波器濾波輸出信號。

圖4 疊加干擾的傳感器信號

圖5 本文濾波器輸出信號

由圖4與圖5可知，所研發(fā)二階濾波器能夠有效濾除高頻干擾。因此，采用二階濾波器的模擬驅(qū)動電路，能夠有效濾除噪聲，保留所需振動頻帶，有利于平穩(wěn)、快速驅(qū)動流量管。

3.2自動增益模塊

科氏質(zhì)量流量計驅(qū)動信號幅值的穩(wěn)定性對其正常起振至關(guān)重要，穩(wěn)定的幅值輸出能更快驅(qū)動流量管平穩(wěn)起振。在科氏流量計自激振動系統(tǒng)中，科氏流量計流量管具有低通濾波效果，可自動從噪聲中選出滿足測量系統(tǒng)所需固有振動頻率，選出頻率后，需對信號進(jìn)行穩(wěn)幅控制。所研發(fā)科氏質(zhì)量流量計驅(qū)動電路采用VCA810和OPA820集成芯片組成自動增益電路[11-13]，如圖6所示，其中VCA810芯片增益調(diào)節(jié)范圍較寬(在-40 dB～+40 dB)，具有較高增益線性度。OPA820芯片組成外部方根檢測電路，對VCA810增益芯片輸出信號進(jìn)行檢波，從而起到穩(wěn)幅效果。電路中添加一些簡單的外圍元器件，組成自動增益模塊。

圖6 自動增益模塊

自動控制增益電路工作原理如下：當(dāng)信號由VCA810控制芯片輸出后，再由OPA820芯片組成的檢波器，對信號進(jìn)行檢波，得出信號強(qiáng)度電壓Vc。Vc為該VCA810增益控制芯片的增益電壓，該電壓輸入到VCA810控制端Gain端口，可起到穩(wěn)定信號電壓幅值的作用。由于VCA810增益控制端采用負(fù)電壓控制，其計算公式為：

Gain=-40(Vc+1)

(4)

上述自動增益電路能使輸出信號幅值穩(wěn)定在0 V～10 V之間任意值，由此可消除傳統(tǒng)模擬驅(qū)動一種類型驅(qū)動電路只能驅(qū)動一種型號流量計的缺點(diǎn)。所研發(fā)驅(qū)動電路只需改變可變增益電阻R17的值，就能改變信號電壓幅值，經(jīng)過功率放大后就能得到不同輸出功率，驅(qū)動不同型號的流量管。為驗證自動控制增益電路實際應(yīng)用效果，將R17設(shè)置在某一固定值時，通過信號發(fā)生器輸出頻率為181 Hz，幅值為50 mV～800 mV之間的正弦信號，并將其接入到自動增益電路輸入端，使用示波器對自動增益電路輸出結(jié)果進(jìn)行測試，讀取輸出信號峰值電壓，實驗測試結(jié)果見表1。

表1 自動增益幅值測試結(jié)果

由表1的測試結(jié)果可知，當(dāng)可變單元電阻為某一固定的值時，改變自動增益控制電路輸入端信號幅值，其輸出信號幅值能準(zhǔn)確穩(wěn)定在系統(tǒng)所需范圍。若改變可變增益單元電阻值，則可得到不同電壓峰值，使驅(qū)動電路能輸出不同的功率，從而所研發(fā)驅(qū)動電路能滿足快速平穩(wěn)驅(qū)動不同類型科氏質(zhì)量流量計。

3.3功率放大模塊

驅(qū)動電路的功率放大模塊為模擬驅(qū)動關(guān)鍵部分，為流量管提供穩(wěn)定振動所需驅(qū)動力。本文所使用功率放大模塊，以TDA2030集成功放芯片作為核心組件，如圖7所示。該芯片是一種低電壓、功率可達(dá)到18 W的放大芯片，芯片不僅具有閉鎖自由運(yùn)作功能，而且提供輸出信號短路保護(hù)和過熱保護(hù)。通過二極管D2與D3實現(xiàn)輸出電壓的保護(hù)，不至于由于輸出電壓過大，出現(xiàn)燒毀負(fù)載線圈現(xiàn)象。該集成芯片的使用，不僅減小功率放大模塊尺寸，而且減弱離散元器件之間相互干擾，從而提高流量管的起振效率。

圖7 功率放大器

對本文以TDA2030核心的功放模塊分別在不同幅值正弦信號下進(jìn)行性能測試，其功放效果如圖8所示。其中圖8(a)為輸入信號幅值180 mV時功放輸出曲線，可看出功放效果較好。圖8(b)為功放輸入輸出電壓曲線，從圖中可知該功放模塊具有較高的線性放大特點(diǎn)，滿足流量計對驅(qū)動信號低失真的要求。

圖8 功率放大電路測試結(jié)果

3.4改進(jìn)模擬驅(qū)動電路

本文研發(fā)的科氏流量計改進(jìn)模擬驅(qū)動電路原理圖如圖9所示。從圖9可知，改進(jìn)模擬驅(qū)動電路沒有過多的離散元件，可有效避免傳統(tǒng)模擬驅(qū)動電路離散元件之間的相互干擾。又因自動增益模塊穩(wěn)幅性能對起振效果影響較大，故定制自動增益模塊以避免人工焊接電路帶來的問題，實物連接的試驗級模擬驅(qū)動如圖10所示。

圖9 改進(jìn)驅(qū)動電路原理圖

圖10 本文研發(fā)試驗級驅(qū)動電路

4 驅(qū)動電路測試

現(xiàn)以四川中測科技發(fā)展有限公司TH010型流量傳感器作為測試對象，兩個流量計傳感器流量管主頻分別約為181 Hz、68 Hz，流量計準(zhǔn)確度0.5級，分別使用離散元器件模擬驅(qū)動電路與本文所研發(fā)模擬驅(qū)動電路進(jìn)行起振測試。

測試中，將傳感器輸出信號接入驅(qū)動電路中，電磁激振線圈則與驅(qū)動電路輸出端相連接，同時采用NI的PCI-1747U數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并在C#編寫的采集顯示界面進(jìn)行動態(tài)顯示，其振動穩(wěn)定時狀態(tài)如圖11所示。

圖11 流量管起振數(shù)據(jù)顯示平臺

采集結(jié)束，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，以便于觀察傳感器信號起振時間曲線。圖2給出的模擬驅(qū)動測試結(jié)果如圖12所示，本文研發(fā)模擬驅(qū)動試驗結(jié)果如圖13所示。

文獻(xiàn)[14]以達(dá)到穩(wěn)定幅值80%的時間作為流量管起振時間，其模擬驅(qū)動起振時間約為22 s。本測試中流量管起振時間，以上電瞬間開始計時，傳感器輸出信號幅值達(dá)到穩(wěn)定幅值的95%作為終止時刻，兩者之差作為起振時間?？蓮膶?dǎo)出的數(shù)據(jù)計算出，所研發(fā)模擬驅(qū)動電路平穩(wěn)驅(qū)動流量管，181 Hz 的流量傳感器起振時間約15.8 s，68 Hz的流量傳感器起振時間約32.8 s，而圖2中具有較多離散元件模擬驅(qū)動電路驅(qū)動兩流量傳感器起振時間分別約22.3 s和40.3 s，相比之下，本文改進(jìn)模擬驅(qū)動電路起振速度更快。

圖12 離散電路起振結(jié)果

圖13 改進(jìn)模擬驅(qū)動起振實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

為改進(jìn)科氏質(zhì)量流量計模擬驅(qū)動電路，提高起振速度與增加振動穩(wěn)定性，采用VCA810和OPA820集成芯片代替離散元件組成的電路，消除過多元件之間的干擾，從而增加驅(qū)動信號的穩(wěn)定性，提高流量管起振性能。使用改進(jìn)模擬驅(qū)動對不同流量計進(jìn)行測試，實驗結(jié)果表明改進(jìn)模擬驅(qū)動電路能夠使流量管快速平穩(wěn)起振，且所研發(fā)的驅(qū)動電路可以驅(qū)動不同型號的科氏質(zhì)量流量計。此外，改進(jìn)模擬驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足工程需要。

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ResearchonanImprovedDrivingCircuitofCoriolisMassFlowMeter

HOUShanshan1,HUANGDanping1,2,3,XUTongxu1,GUOKang1,ZHANGXinhao1

(1.School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China;2.Artificial Intelligence Key Laboratory of Sichuan Province, Zigong 643000, China;3.Research on Key Technologies of Solid State Brewing Academician (Expert) Workstation of Sichuan, Zigong 643000, China)

The drive circuit is the key factor whether the Coriolis mass flow meter can work normally. Nowadays, the traditional analog drive system of Coriolis mass flow meter which consists of many discrete electronic components has common problems. First, much extra noise may be caused by discrete components which influence accuracy of measurement. Second, the traditional analog drive system has limited used range. In order to improve the performance of analog drive circuit, the integrated chip has been applied in the new analog drive circuit, which will decrease much noise. The VCA810 and OPA820 will be combined together to form auto gain module, and the TDA2030 will be the core of power amplifier module. In the improved analog drive circuit, one particular resistance of auto gain module has adjustable value, which can adapter to the power supply of different type flow meter. Experiments show that the new analog drive circuit has better effect compared with the traditional drive circuit.

improved circuit; integrated module; smooth driving; adjustable gain

TN710

A

2017-07-25

過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實驗室項目(GK201602)

候山山(1993-),男,四川德陽人,碩士生,主要從事智能儀器儀表方面的研究,(E-mail)1455151739@qq.com;

黃丹平(1968-),男,四川自貢人,副教授,博士,主要從事測控技術(shù)方面的研究,(E-mail) 984554142@qq.com

1673-1549(2017)05-0037-07

10.11863/j.suse.2017.05.07