基于DSP的科氏流量计系统设计

　　0 引言

　　科里奥利质量流量计( CMF，coriolis mass flowme-ter 以下简称科氏流量计) 是一种能够直接测量流体质量流量的流量计。其性能优越，测量精度高，广泛使用于石油、化工、医药等行业，具有广阔的应用前景。当前，质量流量计的研究主要集中于管型设计、电路设计和信号处理方法研究。本文设计了基于 DSP 的高精度科氏流量计系统，实现对流量信号的采集，并提出基于希尔伯特变换的算法得到信号相位差，进而计算流体质量流量。

　　1 工作原理和硬件系统设计

　　科氏流量计是基于处在旋转系中的流体在直线运动时会产生与质量成正比的科里奥利力的原理研制而成的。典型的科氏流量计采用双 U 型管结构，两个 U 型管在垂直面上的投影重合，在驱动系统的作用下，双 U 型管进入类似音叉状的谐振状态。在无流体流动时，双 U 型管两边振动的相位保持一致;而在流体流过时，会在双 U 型管两边产生方向相反的科氏力，这样会导致双 U 型管两边振动的相位产生差异。采集 U 型管两边振动信号并进行处理，得到两边振动相位差 Φ，进而可以计算出流体的质量流量，如下式:

　　其中，K 为流量系数，f( T) 为温度补偿函数，与流量管材料特性相关，通过具体实验标定后设置。系统总体结构如图1 所示。双U 型流量管采用不锈钢制造，按照测量要求不同选择不同尺寸型号，两U 型管制造应保持高度对称性，这将直接影响到流量计的测量精度。除此之外系统主要由激振和拾振单元、DSP 控制和计算单元、测温单元和人机交互单元等组成，以下将分别介绍。

　　1.1 激振与拾振单元

　　激振与拾振单元结构如图2 所示。激振单元核心为电磁激振器，包括激振线圈和永磁铁，分别安装在两U 型管正中对应位置，在拾振器、激励电路和激振线圈综合作用下，双U 型管发生谐振。拾振单元核心为两磁电式速度传感器，安装在U 型流量管两边对称位置，拾取两路振动信号。双U 型管振动方式类似于音叉，而拾振信号主体为正弦信号，两路信号依次通过电压跟随，放大及滤波电路，从而初步提取放大信号。再取其中一路信号，经过全波整流后，根据信号幅值大小自动调整增益控制，接着与原信号相乘，经过进一步滤波及功率放大以后送入电磁激振器。这样形成一个正反馈的自激系统，而流量管本身则近似于选频器，滤出符合其固有频率的信号，再通过可调的增益控制使得振动最终保持稳定。此外两路拾振信号还需经过电压偏置调整电压幅值后，再经由AD 转换送入DSP 进行信号处理，实现流量采集与计算。