基于驅動特性圖法的科氏流量計模擬驅動設計

徐浩然， 徐科軍，2， 張 倫， 劉 文，樂 靜， 黃 雅， 劉陳慈

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.工業(yè)自動化安徽省工程技術研究中心，安徽 合肥 230009)

1 引 言

科里奧利質量流量計(以下簡稱科氏質量流量計)可以直接測量流體的質量流量，測量精度高，重復性好，具有廣闊的應用前景[1]?？剖腺|量流量計由質量流量傳感器(或稱一次儀表)和變送器(或稱二次儀表)組成。質量流量傳感器由流量管、電磁激振器、速度傳感器、溫度傳感器和外殼組成。電磁激振器驅動流量管振動，流過流量管的流體使流量管扭曲，造成2個速度傳感器輸出信號的相位差發(fā)生變化，對這兩路數(shù)據(jù)處理即可得到質量流量信息。變送器由驅動模塊和數(shù)字處理模塊組成[2，3]。驅動模塊為電磁激振器提供信號和能量，使流量管穩(wěn)幅振動；數(shù)字處理模塊接收速度傳感器的輸出信號，交由核心處理器處理，得到質量流量。其中，流量管的穩(wěn)幅振動是科氏質量流量計工作的前提，所以，驅動部分是科氏質量流量計的重要組成部分?？剖腺|量流量計有模擬和數(shù)字2種驅動方式[3]。模擬驅動由模擬電路組成，結構簡單，由噪聲起振，在單相流等穩(wěn)定流體下可以正常工作。但是，在應用現(xiàn)場，被測液體流量中往往會混入氣體，形成了氣液兩相流的工況，此時傳感器的振動阻尼會變高，速度傳感器輸出信號的幅值較低，驅動信號理應變大[4～7]。但是，由于模擬驅動電路幅值控制環(huán)節(jié)的局限性，驅動信號幅值反而減小，這樣導致了傳感器停振，使得科氏質量流量計無法正常工作。數(shù)字驅動[8～15]的驅動信號是根據(jù)速度傳感器的信號進行計算形成的，不受原始速度傳感器信號幅值大小的影響。當遇到氣液兩相流時，可以及時調整驅動能量，保證傳感器不停振。但是，數(shù)字驅動系統(tǒng)復雜，成本較高，控制參數(shù)需要調整才能取得較好效果。目前，國內大部分生產和使用的是模擬驅動的科氏質量流量計[16]。

為此，本文采用驅動特性圖法分析已有模擬驅動存在的問題，得出傳感器停振的原因。在此基礎上，推導新型模擬驅動的驅動特性曲線，設計新型模擬驅動電路。在持續(xù)氣液兩相流和單相流-氣液兩相流切換下，對已有模擬驅動與新型模擬驅動進行驅動效果對比實驗，以驗證新型模擬驅動的驅動性能。

2 已有模擬驅動分析

2.1 原理框圖

驅動流量管時，模擬驅動依據(jù)自激振蕩原理，即不外加激勵信號，由模擬電路中的微弱噪聲使流量管起振。起振后，驅動信號能逐漸滿足流量管振動所需的幅值和相位平衡條件[3，4]，并最終使流量管達到所需的振動幅值。已有模擬驅動系統(tǒng)由電壓跟隨電路、放大濾波電路、乘法電路、電壓放大電路、功率放大電路、精密整流電路、增益控制電路和驅動保護電路8個電路環(huán)節(jié)組成，如圖1所示。

圖1 已有模擬驅動系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The block diagram of existing analog drive

流量管振動信號(即速度傳感器信號)Vs經(jīng)過電壓跟隨電路、放大濾波電路，得到初步處理后的信號Vi。Vi經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷餍盘朧TPE，通過增益控制模塊和乘法電路對Vi進行放大(或縮小)形成驅動源信號；驅動源信號的幅值較小，不足以驅動傳感器振動，因此需要經(jīng)過電壓放大和功率放大才能形成驅動信號Vd。同時，VTPE信號也控制電壓放大模塊的開關，防止驅動信號幅值過大，損壞電磁激振器。

2.2 電路驅動特性

設電壓跟隨電路的放大倍數(shù)為1；放大濾波電路的幅頻響應為F(ω)；精密整流電路的輸出直流分量為輸入交流信號有效值的0.9倍；增益控制電路中運算放大器的放大倍數(shù)為K1，基準比較電壓為Vref，輸入信號為精密整流出來的直流信號VTPE，則增益控制電路環(huán)節(jié)的輸入、輸出關系為：

Vc=(1+K1)Vref-K1VTPE

(1)

乘法電路的輸入是經(jīng)過放大濾波后的交流振動信號Vi和放大控制信號Vc，輸出是2個輸入乘積的0.1倍；在傳感器正常振動時，驅動保護電路不起作用，電壓放大電路的電壓放大倍數(shù)為K2；功率放大電路放大驅動電壓，一般其電壓放大倍數(shù)為定值，本次分析默認為1。這樣就可以推導出模擬驅動電路輸出Vd與輸入Vs的關系：

(2)

將式(2)化為二次函數(shù)標準表達式：

(3)

(4)

(5)

2.3 驅動特性圖分析

根據(jù)式(3)可以繪制出已有模擬驅動的驅動特性曲線，如圖2中的曲線1所示。

圖2 已有模擬驅動的驅動特性圖Fig.2 The drive characteristic diagram for existing analog drive circuit

當傳感器工作在固有頻率時，其增益是固定的，因此，穩(wěn)態(tài)下驅動信號幅值和振動信號幅值是線性關系[14]。在單相流情況下，僅需要較低幅值的驅動信號就能夠驅動傳感器在足夠高的幅值下振動，因此直線的斜率小，如圖2中的直線1所示。在氣液兩相流發(fā)生時，傳感器阻尼變大，相同驅動信號幅值下，傳感器的振動幅值會變得更小，直線的斜率變大，如圖2中的直線2所示。

圖2中，單相流時，直線1和曲線1有一個交點P1，該點能夠同時滿足變送器的驅動特性和傳感器的振動條件，是傳感器的穩(wěn)態(tài)工作點，即穩(wěn)態(tài)時傳感器的振動幅值是Vs1，驅動信號幅值是Vd1。氣液兩相流時，直線2的斜率過大，與曲線1不存在一個穩(wěn)定的交點，即流量管振動信號為任意幅值時，驅動電路所提供的驅動信號幅值都不足以驅動傳感器，因此，傳感器發(fā)生停振。

可見，已有模擬驅動電路在氣液兩相流下無法驅動傳感器的真正原因是驅動電路的幅值控制不合理，在傳感器振動幅值較小時，不能以較大的輸出幅值去驅動傳感器，導致傳感器停振。

3 新型模擬驅動設計

3.1 驅動特性圖設計

由2.3節(jié)可知，已有模擬驅動工作在單相流時，與傳感器驅動特性曲線有一個穩(wěn)定交點，即穩(wěn)定工作點；工作在氣液兩相流時，與傳感器驅動特性曲線無交點，傳感器停振。因此，改進已有模擬驅動的驅動特性曲線就顯得十分重要。如果保持特性曲線1的頂點橫坐標B/(2A)不變，增大A，將曲線1變?yōu)榍€2，則曲線2與兩條直線都有穩(wěn)定交點P1、P2，即傳感器在單相流和氣液兩相流下都能穩(wěn)定工作。改進的特性曲線如圖3中的曲線2所示。

圖3 改進的驅動特性圖Fig.3 Improved characteristic diagram

但是，結合實際電路發(fā)現(xiàn)，單相流時，新的穩(wěn)定工作點的流量管振動信號Vs比原有工作點的振動信號大，即新的穩(wěn)定工作點傳感器振動幅度比原有工作點大，可能會損壞傳感器；氣液兩相流時，電壓幅值會被功率放大電路最大輸出電壓和安全柵限制，最大只能達到Vmax。

因此，需再次改進已有模擬驅動的驅動特性曲線。當流量管振動信號幅值大于B/(2A)時(單相流)，驅動特性曲線仍為曲線1，與已有模擬驅動電路一致；當流量管振動信號幅值小于B/(2A)時(氣液兩相流)，保持B/(2A)不變，增大A，將曲線1變?yōu)榍€2。同時，當Vd幅值過大時，功率放大電路和安全柵能將Vd幅值限制在Vmax，防止燒毀電磁激振器。最終，新型模擬驅動的驅動特性曲線如圖4所示。

圖4 新型模擬驅動的驅動特性圖Fig.4 The drive characteristic diagram of new analog drive

新型模擬驅動工作在單相流時，與傳感器有一個穩(wěn)定交點P1，工作狀態(tài)與已有模擬驅動的工作狀態(tài)一致；工作在氣液兩相流時，與傳感器有一個穩(wěn)定交點P2，此時，驅動信號幅值為Vmax，流量管振動幅值為Vs2，依然可以保證傳感器振動。

3.2 原理框圖

由3.1節(jié)可得，單相流時，新型模擬驅動與已有模擬驅動的驅動特性曲線一致；氣液兩相流時，新型模擬驅動與已有模擬驅動的頂點橫坐標B/(2A)相同，但A更大。結合式(4)、式(5)，若符合這一條件，需要保持K1、F(ω)、Vref不變，已有模擬驅動的電壓放大電路放大倍數(shù)K2可變，即電壓放大電路應該是一個倍數(shù)可調的電壓放大電路。但是，氣液兩相流時，單個倍數(shù)可調電壓放大電路的放大倍數(shù)是不夠的。因此，在乘法電路前，又加入一個倍數(shù)可調的電壓放大電路，先進行一級放大，經(jīng)過乘法電路后，再進行一級放大。新型模擬驅動原理框圖如圖5所示。

圖5 新型模擬驅動原理框圖Fig.5 The block diagram of new analog drive circuit

3.3 電路設計

倍數(shù)可調的電壓放大電路如圖6所示，包括放大倍數(shù)控制電路和正向電壓放大電路2部分。

放大倍數(shù)控制電路由運算放大器U1A(OPA2277)和外圍的電阻、電容組成。VTPE為流量管振動信號整流后得到的控制信號。R6和C3構成一階無源低通濾波器電路，對VTPE進行低通濾波后接至U1A的反向輸入端。9V模擬電源供電下，R1和R5的分壓信號進入U1A的正向輸入端，設該電壓信號為Va。Va與VTPE進行比較，對應于圖2中的B/(2A)。

正向電壓放大電路由運算放大器U1B(OPA2277)、場效應管Q1(MMBF5457)和外圍的電阻、電容組成。C4和R7構成無源高通濾波器電路，對輸入信號進行高通濾波后接至U1B的正向輸入端。電容C1、運算放大器U1B、電阻R3又構成有源低通濾波器，對放大的信號進行濾波，其截止頻率由R3和C1共同決定。

當VTPE小于Va時，即VTPE小于B/(2A)時，U1A輸出高電平，Q1導通，R3、R2、Q1、地構成一段回路，由運算放大器的虛短原理可得，P點電壓等于輸入信號電壓，輸出信號等于1+R3/R2倍輸入信號，即正向放大電路放大倍數(shù)為1+R3/R2；當VTPE大于Va時，U1A輸出低電平，Q1不導通，R3、R2、Q1、地不能構成一段回路，R3電阻幾乎無電流經(jīng)過，不產生壓降，輸出信號電壓等于P點電壓，等于輸入信號電壓，即正向放大電路的放大倍數(shù)為1。

圖6 倍數(shù)可調的電壓放大電路原理圖Fig.6 The diagram of voltage amplification circuit with adjustable magnification

4 實驗驗證

為了驗證理論分析的結果，在持續(xù)的氣液兩相流下和單相流-氣液兩相流切換下，分別進行已有模擬驅動電路和新型模擬驅動電路的驅動特性的對比實驗。在持續(xù)的氣液兩相流下進行實驗的目的是驗證新型模擬驅動能否在不同氣體流量下驅動傳感器，使傳感器穩(wěn)定振動；在單相流-氣液兩相流切換下進行實驗的目的是觀察新型模擬驅動電路能否在流體發(fā)生突變時，始終維持傳感器的振動。只有滿足這2個條件，驅動系統(tǒng)才能較好地適應實際工況。

實驗裝置示意圖如圖7所示。該裝置主要由水箱、水泵、空壓機、科氏質量流量傳感器、科氏質量流量變送器、氣體浮子流量計、閥門及管道等組成。管道被檢表處安裝一臺Micro Motion公司生產的科氏質量流量傳感器，型號為CMF025，該傳感器作為本次實驗的對象。使用已有模擬驅動電路和新型模擬驅動電路的變送器，分別匹配科氏質量流量傳感器進行實驗。實驗裝置可進行單相流和氣液兩相流實驗。當進行單相流實驗時，水泵汲取水箱中的水，依次流過閥1、標準表、三通閥、被檢表、閥3，最后回到水箱，調節(jié)閥1和閥3可以控制水流量大小。當進行氣液兩相流實驗時，閥2開啟，空壓機壓縮氣體，經(jīng)由氣體浮子流量計控制進氣量后，在三通閥處與水路通道中的水混合形成氣液兩相流，繼而在三通閥開始按照單相流實驗時水的流向流動。

圖7 氣液兩相流實驗裝置框圖Fig.7 Gas-liquid two-phase flow experimental device block diagram

4.1 持續(xù)氣液兩相流下驅動穩(wěn)定性對比實驗

為驗證新型模擬驅動與已有模擬驅動能否在氣液兩相流狀態(tài)下工作，進行持續(xù)氣液兩相流下新型模擬驅動與已有模擬驅動的驅動信號幅值對比實驗。該實驗在圖7所示的實驗裝置上進行，實驗步驟如下：

1) 將基于已有模擬驅動的變送器與CMF025型傳感器匹配，調整傳感器內的水流量為10.8 kg/min，并使傳感器振動在最佳幅值4.3 V。

2) 傳感器穩(wěn)定振動后，使用氣體浮子流量計調節(jié)氣體流量為0.2 L/min，迅速打開閥門2，使傳感器中的介質從單相流切換到氣液兩相流狀態(tài)。實驗過程中，使用Tektronix DPO3014四通道數(shù)字示波器觀察并采集20 s驅動信號和流量管振動信號。

3) 分別將氣體流量調節(jié)為0.6 L/min和1 L/min，再次按照步驟2)進行實驗。

4) 使用基于新型模擬驅動的變送器進行上述實驗，采集實驗數(shù)據(jù)。

為了將單相流和氣液兩相流下的驅動情況進行對比，本次實驗也采集了氣體流量為0，即單相流情況下的驅動信號和流量管振動信號。對采集的數(shù)據(jù)進行去偏置、二階巴特沃斯濾波后，采用三點法取單峰值。三點法即如果一個點的幅值大于前一個點幅值，且大于后一個點幅值，就認為這個點的幅值是這個周期的單峰值。再對這些單峰值取平均值，就可以得到不同氣體流量下，已有模擬驅動電路和新型模擬驅動電路驅動傳感器時驅動信號和流量管振動信號的單峰值平均值，如表1所示。

表1 已有模擬驅動電路與新型模擬驅動電路驅動實驗結果Tab.1 Experimental results of existing analog drive and new analog drive V

從實驗結果可以看出：在單相流情況下，已有模擬驅動電路驅動傳感器時，驅動信號單峰值為4.529 5 V，流量管振動信號單峰值為4.285 5 V，在合適的幅值范圍內；在氣液兩相流情況下，已有模擬驅動電路的驅動信號單峰值小于0.8 V，流量管振動信號單峰值小于0.04 V，基本上和現(xiàn)場噪聲在一個數(shù)量級上。由圖4可看出，氣液兩相流情況下，傳感器驅動特性曲線變成了直線2，已有模擬驅動的驅動特性曲線仍為曲線1，直線2與曲線1沒有交點，即沒有穩(wěn)定工作點，因此，傳感器發(fā)生了停振。

在單相流情況下，新型模擬驅動電路驅動傳感器時，驅動信號單峰值為3.969 0 V，流量管振動信號單峰值為4.239 0 V，在合適的幅值范圍內；在氣液兩相流情況下，新型模擬驅動電路的驅動信號單峰值一直保持在14.8 V左右，流量管振動信號單峰值大于295 mV，傳感器維持振動。由圖4可以看出，氣液兩相流情況下，傳感器驅動特性曲線變成了直線2，新型模擬驅動的驅動特性曲線變成了曲線2和直線3的實線部分，直線2與直線3有交點，即有穩(wěn)定工作點，因此，傳感器依然維持振動，且驅動幅值保持在最大值。此時，傳感器振動幅值較低，是由于功率放大電路最大輸出電壓和安全柵限制了驅動電壓的最大值，使得驅動能量不足，但傳感器本身仍在穩(wěn)幅振動[5]。

由表1實驗數(shù)據(jù)對比可知，在單相流情況下，已有模擬驅動電路和新型模擬驅動電路都能驅動傳感器在最佳振動幅值下振動。在氣液兩相流情況下，已有模擬驅動電路由于幅值控制不合理，傳感器發(fā)生了停振；而新型模擬驅動電路一直輸出最大幅值的驅動信號，維持傳感器的振動，科氏質量流量計依然可以正常工作。實驗結果的對比驗證了新型模擬驅動電路能在氣液兩相流下驅動傳感器，而已有模擬驅動電路在氣液兩相流下無法驅動傳感器。因此，新型模擬驅動的驅動性能更好。

4.2 單相流-氣液兩相流切換驅動快速性對比實驗

科氏質量流量計在應用時，傳感器中的介質經(jīng)常會發(fā)生變化，比如單相流和氣液兩相流之間的來回切換。這種情況的發(fā)生對流量計的驅動提出了更大的挑戰(zhàn)。在單相流突然切換到氣液兩相流時，氣體沖擊強，驅動系統(tǒng)難以保證傳感器不停振；在氣液兩相流切換到單相流時，驅動系統(tǒng)必須能迅速地將傳感器恢復到最佳振動幅值，以保證測量性能。為此，進行流型切換下新型模擬驅動與已有模擬驅動特性的對比實驗。該實驗在圖7所示的實驗裝置上進行，實驗步驟如下：

1) 將基于已有模擬驅動的變送器與CMF025型傳感器匹配，調整傳感器內的水流量為10.8 kg/min，并使傳感器振動在最佳幅值4.3 V。

2) 傳感器穩(wěn)定振動后，使用氣體浮子流量計調節(jié)氣體流量為0.2 L/min，迅速打開閥門2，使傳感器中的介質從單相流切換到氣液兩相流狀態(tài)。保持10 s后，迅速關閉閥門2，使傳感器中的介質迅速從氣液兩相流狀態(tài)切換到單相流。實驗過程中，使用Tektronix DPO3014四通道數(shù)字示波器觀察并采集20 s驅動信號和流量管振動信號。

3) 分別將氣體流量調節(jié)為0.6 L/min和1 L/min，再次按照步驟2)進行實驗。

4) 使用基于新型模擬驅動的變送器進行實驗，采集實驗數(shù)據(jù)。

給出氣體流量為0.2 L/min，單相流-氣液兩相流切換下兩種模擬驅動電路驅動傳感器的驅動信號和流量管振動信號，分別如圖8和圖9所示。

圖8 已有模擬驅動電路驅動傳感器的驅動信號和流量管振動信號Fig.8 The drive signal and flow tube vibration signal of existing analog drive circuit using to drive flow tube

圖9 新型模擬驅動電路驅動傳感器的驅動信號和流量管振動信號Fig.9 The drive signal and flow tube vibration signal of new analog drive circuit using to drive flow tube

從圖8和圖9中可以看出，當單相流切換到氣液兩相流時，已有模擬驅動的驅動信號幅值較小，傳感器發(fā)生了停振；新型模擬驅動的驅動信號基本上維持在最大幅值，傳感器未發(fā)生停振；當氣液兩相流切換到單相流時，已有模擬驅動電路的傳感器從氣液兩相流振動狀態(tài)恢復到單相流振動狀態(tài)需要3.62 s，新型模擬驅動電路只需2.74 s，因此，新型模擬驅動能夠更快地將傳感器恢復到最佳振動幅值。

為了能夠更加充分地驗證新型模擬驅動電路的驅動性能，對氣體流量為0.6 L/min和1 L/min時采集到的數(shù)據(jù)進行去偏置、二階巴特沃斯濾波后，采用三點法取單峰值，得到2種驅動電路驅動下傳感器振動幅值變化曲線，如圖10和圖11所示。

圖10 流型切換時傳感器振動幅值(氣體流量0.6 L/min)Fig.10 Flow tube vibration amplitude under flow pattern switching (Gas flow 0.6 L/min)

圖11 流型切換時傳感器振動幅值(氣體流量1 L/min)Fig.11 Flow tube vibration amplitude under flow pattern switching(Gas flow 1 L/min)

從圖10和圖11可以看出，在氣體流量為 0.6 L/min 或者1 L/min的狀況下，當單相流切換到氣液兩相流狀態(tài)時，新型模擬驅動電路驅動的傳感器都能維持振動，而已有模擬驅動電路驅動的傳感器已經(jīng)停振；當氣液兩相流切換到單相流狀態(tài)時，新型模擬驅動都能夠更快地將傳感器恢復到最佳振動幅值。

5 結 論

1) 提出采用驅動特性圖法，分析已有模擬驅動無法在氣液兩相流下驅動傳感器的原因。由于已有模擬驅動電路的幅值控制不合理，當被測液體流量中含有氣體時，傳感器的振動阻尼增大，流量管振動信號幅值降低，需要的驅動能量增加。但是，已有模擬驅動無法在低幅值的流量管振動信號下，提供高幅值的驅動信號。因此，已有模擬驅動無法提供所需的能量，從而，與傳感器沒有穩(wěn)定工作點，致使傳感器停振。

2) 根據(jù)已有模擬驅動的驅動特性曲線推導出了新型模擬驅動的驅動特性曲線，設計出了新型模擬驅動電路。加入了2個倍數(shù)可調的放大電路，使得新型模擬驅動在單相流下的工作狀態(tài)與已有的模擬驅動工作狀態(tài)一致；在氣液兩相流下，驅動信號幅值保持在最大幅值處，傳感器能夠維持振動。

3) 進行了新型模擬驅動與已有模擬驅動的對比實驗。在持續(xù)氣液兩相流下，新型模擬驅動的傳感器能夠保持振動，振動幅值較高，而已有模擬驅動的傳感器發(fā)生停振；在單相流切換到氣液兩相流時，新型模擬驅動的傳感器不停振，已有模擬驅動的傳感器發(fā)生停振；在氣液兩相流切換到單相流時，新型模擬驅動的傳感器可以更快地恢復到最佳振動幅值。