科氏質(zhì)量流量計(jì)非線性幅值控制模擬電路研究

候山山　于少東　黃丹平　張芯豪　徐同旭　郭康

摘要：科氏質(zhì)量流量計(jì)的起振時(shí)間限制其使用范圍，而起振時(shí)間的長(zhǎng)短關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)電路。現(xiàn)階段科氏質(zhì)量流量計(jì)模擬驅(qū)動(dòng)電路存在起振速度慢、驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值不穩(wěn)定等問題。針對(duì)其問題，改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)電路，采用集成芯片組成自動(dòng)增益電路，輸出幅值穩(wěn)定信號(hào)，并創(chuàng)新性加入變電壓信號(hào)控制電路，即對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行非線性幅值控制，使流量計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)隨傳感器輸出信號(hào)增大而減小，達(dá)到使流量計(jì)快速穩(wěn)幅起振。通過對(duì)所研發(fā)試驗(yàn)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真分析與實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明：該驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定且起振速度比現(xiàn)階段模擬驅(qū)動(dòng)電路起振速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)電路；自動(dòng)增益；非線性幅值控制；快速起振

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0118-07

0引言

科氏質(zhì)量流量計(jì)（CMF）自從問世以來，因其可以直接測(cè)量流體質(zhì)量流量且測(cè)量精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛研究和應(yīng)用，其中以歐美國(guó)家和日本在科氏質(zhì)量流量計(jì)的研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位，而國(guó)內(nèi)科氏質(zhì)量流量計(jì)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后。近幾年，國(guó)內(nèi)科氏質(zhì)量流量計(jì)研究明顯加快，主要集中于傳感器信號(hào)的處理算法、一次儀表的驅(qū)動(dòng)方案以及硬件系統(tǒng)平臺(tái)等。而現(xiàn)階段科氏流量計(jì)驅(qū)動(dòng)方案主要為模擬驅(qū)動(dòng)電路，還存在如離散元件過多、占用體積大、起振速度慢、起振不穩(wěn)定等問題，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為了擴(kuò)大科氏流量計(jì)應(yīng)用范圍，針對(duì)現(xiàn)階段電路所存在問題，由汪俊其等提出一種科氏質(zhì)量流量計(jì)新型模擬驅(qū)動(dòng)電路，即采用集成芯片技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)離散元器件組成電路。該研究通過對(duì)新型模擬驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真分析和實(shí)物測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型模擬驅(qū)動(dòng)電路在流量管起振的平穩(wěn)性和起振速度方面與文獻(xiàn)中所提出模擬驅(qū)動(dòng)電路相比都有較大提升，且為以后模擬驅(qū)動(dòng)電路的模塊化、集成化，提供了方向。

然而，在這些已有的研究基礎(chǔ)上，流量計(jì)起振的穩(wěn)定性和起振速度仍然有改進(jìn)的空間。本文通過對(duì)科氏流量計(jì)驅(qū)動(dòng)電路工作原理進(jìn)行分析研究，加入變電壓信號(hào)控制電路，使流量計(jì)能夠快速起振。經(jīng)過對(duì)研發(fā)電路仿真分析與實(shí)物測(cè)試，該電路與文獻(xiàn)中模擬驅(qū)動(dòng)相比，流量計(jì)所需起振時(shí)間顯著減少，且抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)更穩(wěn)定，能夠適應(yīng)更復(fù)雜環(huán)境，測(cè)量精度更高，可擴(kuò)大流量計(jì)應(yīng)用范圍。

1驅(qū)動(dòng)激振原理與電路組成

科氏質(zhì)量流量計(jì)自激振動(dòng)系統(tǒng)由模擬驅(qū)動(dòng)電路、振動(dòng)管、電磁激振器和流量管兩端的傳感器組成，其模擬驅(qū)動(dòng)自激振動(dòng)系統(tǒng)H-q結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路通過流量管兩端速度傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大濾波后，再經(jīng)自動(dòng)增益、功率放大模塊得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁激振器，使流量管以一定規(guī)律振動(dòng)，其振動(dòng)再由傳感器捕獲，形成閉環(huán)回路，由此建立起自激振動(dòng)。

自激振蕩平衡條件為

|H（jω）F（jω）|=1 （1）

式（1）為幅值平衡條件。系統(tǒng)若要自行振蕩，則應(yīng)滿足下式：

|H（jω）F（jω）|>1 （2）

從圖1中可知，科氏流量計(jì)模擬驅(qū)動(dòng)電路主要包含4部分：初級(jí)放大電路、低通濾波電路、自動(dòng)增益模塊和功率放大模塊。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器輸出信號(hào)與高頻干擾信號(hào)，經(jīng)初級(jí)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(hào)，保留流量管主頻附近的信號(hào)。

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

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

2模擬驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)方案

現(xiàn)階段所使用模擬驅(qū)動(dòng)電路盡管能夠使科氏流量計(jì)正常工作，但仍存在起振速度漫、驅(qū)動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定等問題，影響其對(duì)流體質(zhì)量流量測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)限制了在工業(yè)中使用范圍。基于此，本文提出由放大濾波模塊、自動(dòng)增益模塊、變電壓信號(hào)控制模塊、功放模塊4部分所組成新型模擬驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。其中，放大濾波模塊為帶放大信號(hào)作用的二階低通濾波器，自動(dòng)增益模塊為由AD734乘法器芯片和兩個(gè)NE5532乘法器芯片組成的自動(dòng)增益控制電路，變電壓信號(hào)控制模塊由NE5532雙運(yùn)放芯片組成，功放模塊為TDA2030A芯片組成的功放電路。該驅(qū)動(dòng)電路采用集成芯片減少離散電子元件使用數(shù)量，精簡(jiǎn)電路結(jié)構(gòu)，減少噪聲的引入，從而增加流量管振動(dòng)平穩(wěn)性，并增加變電壓信號(hào)控制電路，提高流量管起振速度。

2.1二階低通濾波器

由于科氏質(zhì)量流量計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位與幅值要求較高，而經(jīng)過一階濾波器濾波后的信號(hào)相位與幅值發(fā)生較大改變，直接影響流量管起振效果。因此，本文采用比一階濾波器具有更好隔高頻性能，通帶衰減更快，且?guī)Х糯笞饔玫亩A濾波器對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理。圖3為所研發(fā)二階低通濾波電路。該電路采用C1、R1、R2、R3、C2、C3、Rf和0P297組成二階低通濾波器，來消除傳感器輸出信號(hào)中高頻成分，提高起振信號(hào)頻率精度。由于現(xiàn)有科氏質(zhì)量流量計(jì)最高信號(hào)起振頻率1 000 Hz以下，在研發(fā)電路中，采用具有良好精密性、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。該濾波器可有效濾除高頻信號(hào)，提高起振電路工作性能。

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(jì)算公式如下式所示：

如圖4、圖5所示，對(duì)所研發(fā)二階濾波電路濾波性能進(jìn)行測(cè)試。圖4為疊加干擾信號(hào)的傳感器信號(hào)，圖5為二階濾波器濾波輸出信號(hào)。可以看出，采用二階濾波器的模擬驅(qū)動(dòng)電路，能夠有效濾除噪聲，保留所需振動(dòng)頻帶，有利于平穩(wěn)、快速驅(qū)動(dòng)流量管。

2.2自動(dòng)增益模塊

科氏質(zhì)量流量計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值的穩(wěn)定性對(duì)其正常起振至關(guān)重要。在科氏流量計(jì)自激振動(dòng)系統(tǒng)中，科氏流量計(jì)流量管具有低通濾波效果，可自動(dòng)從噪聲中選出測(cè)量系統(tǒng)所需固有振動(dòng)頻率，選出頻率后，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)幅控制。

自動(dòng)控制增益電路其工作原理如下：當(dāng)信號(hào)由AD734乘法器芯片輸出后，再由兩個(gè)NE5532雙運(yùn)放芯片組成的放大電路、整流電路、低通濾波、差分放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整流、濾波、差分放大處理，并將處理后信號(hào)返回輸入模擬乘法器中，形成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖6所示。

其計(jì)算公式如下式所示：

圖7為所研發(fā)自動(dòng)增益電路，由AD734乘法器芯片和兩個(gè)NE5532雙運(yùn)放芯片組成，其增益調(diào)節(jié)范圍較寬（-11-34dB），具有較高增益線性度。

上述自動(dòng)增益電路能使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定在-1-1v之間任意值。為驗(yàn)證自動(dòng)控制增益電路實(shí)際應(yīng)用效果，將滑動(dòng)變阻器Rv4設(shè)置在某一固定值時(shí)，通過信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為181 Hz，幅值為50-800 mV的正弦信號(hào)，并將其接入到自動(dòng)增益電路輸入端，使用示波器對(duì)自動(dòng)增益電路輸出結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，讀取輸出信號(hào)峰值電壓，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示?？芍?dāng)可變單元電阻為某一固定值時(shí)，改變自動(dòng)增益控制電路輸入端信號(hào)幅值，其輸出信號(hào)幅值能準(zhǔn)確穩(wěn)定在系統(tǒng)所需范圍。

2.3變電壓信號(hào)控制電路

經(jīng)過多次對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)起振實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，科氏質(zhì)量流量計(jì)其起振時(shí)間長(zhǎng)短主要由主振頻率所決定，與驅(qū)動(dòng)電壓無明顯關(guān)系。圖8為不同驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)傳感器信號(hào)幅值包絡(luò)曲線。因此，想要快速起振，必須更改信號(hào)幅值，如現(xiàn)以10 v驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其理論傳感器輸出信號(hào)幅值包絡(luò)線應(yīng)如圖中紅色曲線所示，但實(shí)際過程中待傳感器信號(hào)快達(dá)到3v時(shí)，將驅(qū)動(dòng)電壓變?yōu)?v，此時(shí)傳感器信號(hào)幅值將不再按照?qǐng)D8中紅色曲線進(jìn)行變化，將向6v驅(qū)動(dòng)電壓所生成傳感器信號(hào)最大幅值處靠近，此時(shí)驅(qū)動(dòng)起振時(shí)間顯著減少，達(dá)到快速穩(wěn)幅，這就是從根本上縮短流量計(jì)起振時(shí)間的原理，即變電壓驅(qū)動(dòng)，或稱非線性幅值控制。圖9為所研發(fā)變電壓信號(hào)控制電路，由一個(gè)NE5532雙運(yùn)放芯片構(gòu)成，其工作原理：自動(dòng)增益電路輸出的穩(wěn)幅信號(hào)不變，流量計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)隨傳感器輸出信號(hào)增大而減小，達(dá)到不斷改變驅(qū)動(dòng)電壓的目，從而使流量計(jì)快速平穩(wěn)起振。

2.4功率放大模塊

驅(qū)動(dòng)電路的功率放大模塊為模擬驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵部分，其為流量管提供穩(wěn)定振動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力。本文所使用功率放大模塊，以TDA2030集成功放芯片（如圖10所示）作為核心組件。該芯片是一種低電壓、功率可達(dá)到18w的放大芯片，不僅具有閉鎖自由運(yùn)作功能，而且提供輸出信號(hào)短路保護(hù)和過熱保護(hù)。通過二極管D1、D2實(shí)現(xiàn)輸出電壓的保護(hù)，避免由于輸出電壓過大，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。

對(duì)本文的功放模塊進(jìn)行性能測(cè)試，分別對(duì)不同幅值正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其功放效果如圖11所示。其中圖11（a）為輸入信號(hào)幅值180mV時(shí)功放輸出曲線，可看出功放效果較好。圖11（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(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)低失真的要求。

2.5整體改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)電路

如圖12所示，為本文所研發(fā)科氏質(zhì)量流量計(jì)改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

3改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試

現(xiàn)以四川中測(cè)科技發(fā)展有限公司TH010型流量傳感器作為測(cè)試對(duì)象，流量計(jì)傳感器流量管主頻約為181 Hz，流量計(jì)準(zhǔn)確等級(jí)0.5級(jí)，對(duì)文獻(xiàn)中所研究新型模擬驅(qū)動(dòng)電路與本文所研發(fā)模擬驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行起振測(cè)試和抗干擾能力測(cè)試。

測(cè)試中，采用NI的PCI-1747U數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，以便觀察傳感器信號(hào)起振時(shí)間曲線和流量管穩(wěn)定振動(dòng)后加入外界噪聲干擾的振動(dòng)曲線。如圖13、圖14所示，分別為文獻(xiàn)中所研究新型模擬驅(qū)動(dòng)電路與本文研發(fā)電路對(duì)第一主頻約為181 Hz的科氏流量計(jì)起振曲線圖，圖15、圖16為流量管平穩(wěn)振動(dòng)后加入干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。本測(cè)試中流量管起振時(shí)間，以上電瞬間開始計(jì)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)幅值達(dá)到穩(wěn)定幅值的95%作為終止時(shí)刻，兩者之差作為起振時(shí)間?？蓮膶?dǎo)出的數(shù)據(jù)計(jì)算出，本文所研發(fā)模擬驅(qū)動(dòng)電路平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)流量管，所需起振時(shí)間約5 s，而文獻(xiàn)中所研究新型模擬驅(qū)動(dòng)電路則需要15 s左右。由圖15、圖16加入干擾后結(jié)果曲線可知，文獻(xiàn)中所研究新型模擬驅(qū)動(dòng)電路受到干擾時(shí)需約2 s才能恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，而本文所研究模擬驅(qū)動(dòng)電路則是在流量管瞬間偏離原來位置后，又恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明，本文所研究模擬驅(qū)動(dòng)電路起振速度更快，所需起振時(shí)間顯著減少，且抗干擾能力更強(qiáng)。

相比于文獻(xiàn)中所提出模擬驅(qū)動(dòng)方法，其仿真結(jié)果所需起振時(shí)間為13.7 s，主要是針對(duì)于批料流和兩相流發(fā)生的過程中，流量管阻尼比較大且不斷變化的情況下，而本文中對(duì)所研究模擬驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試是在空管起振的條件下，其流量管阻尼比較小且?guī)缀鯖]有變化，因此所需起振時(shí)間與文獻(xiàn)中模擬電路仿真結(jié)果有較大差別。

4結(jié)束語

為改進(jìn)科氏質(zhì)量流量計(jì)模擬驅(qū)動(dòng)電路，提高起振速度與增加振動(dòng)穩(wěn)定性，對(duì)電路中低通濾波器與自動(dòng)增益模塊進(jìn)行改進(jìn)，減低元器件及外界環(huán)境對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的干擾，從而增加驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定性，并加入變電壓信號(hào)控制電路，即變電壓驅(qū)動(dòng)，使流量計(jì)快速平穩(wěn)起振。使用改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)電路對(duì)主頻約為181 Hz科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)電路能夠使流量管快速平穩(wěn)起振，且起振所需時(shí)間顯著縮短，此外，改進(jìn)模擬驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

（編輯：莫婕）