科氏质量流量计模拟驱动方法研究

　　1　引　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏质量流量计)由流量管(又称振动管)、传感器、信号处理系统和驱动系统(又称激励系统)组成。驱动系统由电磁激振器和驱动电路组成。驱动系统为振动管提供周期性的力,使振动管以其固有频率和稳定的振幅作周期性振动。由于振动管的固有频率随着流体密度的变化而变化,故要求驱动力的频率要能自动跟踪振动管固有频率的变化,以便用最少的能量来驱动振动管。本文在以往研制驱动电路、进行实验的基础上,结合国外的技术资料,对驱动系统的自激振动平衡条件和工作原理进行分析,对各种驱动信号波形进行仿真和比较,对几种驱动电路进行设计和探讨。

　　2　驱动系统的原理

式(2)为幅值平衡条件,式(3)为相位平衡条件。欲使闭环系统能自行建立振动,就必须满足下列的式(4),这样,接通电源后,振动系统就有可能自行起振(自激),最后趋于稳态平衡:

　　科氏质量流量计的振动体系为无限自由度受迫振动体系,有无限多个主振型,相应地也有无限多个自振频率。科氏流量计的激振系统一般都采用第一主振型。为了简化分析,我们采用一维有阻尼受迫振动系统来模拟第一主振型。其振动的微分方

　　根据式(7)可以作出系统的频率响应图,图2为幅频特性,图3为相频特性。可见,当信号的频率很接近振动管的固有频率时,振动的位移幅值非常大(即达到共振),而相位却滞后驱动力90°。

　　对于科氏质量流量计的激振系统来说,当驱动力的频率接近振动管的固有频率时,消耗的能量最少。所以,在流量计工作的过程中,驱动电路要能够自动跟踪振动管固有频率的变化,而且要有利于起振和稳定的工作。由上面的讨论可知,构成闭环的反馈环节应该具有+90°的相移(或者n×360°+90°,n=0,±1,±2,…),同时满足式(4)的条件。若科氏质量流量计采用的是速度传感器,由于速度的相位比位移超前90°,当用速度信号作为反馈信号时,相位条件自动满足(即速度与驱动力同相);如果采用的是位移传感器,则在驱动电路中需采用具有+90°相移的电路。幅值条件很容易满足。驱动过程中,采用自动增益控制(AGC),起振时,信号的增益很大,随着振动幅度的增大,增益自动调节,最后达到稳幅振动。

　　从图2可以看出,振动管相当于一个窄带滤波器,具有很好的选频特性。由于电路中存在噪声,其频谱分布很广,也包括了ωn频率成分。这些信号经过放大,通过正反馈的选频网络,接近固有频率信号成分的输出幅度越来越大,而其它频率成分在信号中所占的比重越来越小(被选频网络“筛除”)。由于受电路中非线性元件的限制(或人为的限幅),使接近固有频率信号成分的幅值不可能永远增长,而稳定在某一数值,达到稳幅的振动。