科里奥利质量流量计增益控制闭环设计

　　在流量测量技术中,科里奥利质量流量测量技术是一种近乎理想的技术.科里奥利质量流量计(CMF)可以精确地测量工业过程流量和流体密度,而且没有运动的机械部件及其带来的损耗,所以理论上讲CMF的使用寿命可以很长.在现代化学工业中,许多流量测量的应用中出现了以下的趋势:一些配方公式中给出的往往是原料的质量;对于一些昂贵的原材料需要十分精确的流量测量,以保证最大的产出和最小的浪费;要求生产流程中各部件具有高度可靠性.这样,CMF就成为最好的选择[1].

　　1　双U型CMF原理

　　目前CMF一次仪表有多种外型,本次研对象选定的是双U形管CMF.激振线圈驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动,将长管处理成等长的两段:一端作为流体的入口;另一端为出口,并使之绕U形管中点转动.若管内没有流体,则两段管子的状态一样;若管内有流体,则由于质点在两段管内运动方向不同,在非惯性系中受到方向相反的科里奥利力.两段管子分别发生旋转减缓和加快的趋势,这样就产生一个相位差,这个相位差与管中流体质量有如下数学关系[2~6]:

　　式中:M为质量流量;θ为相位差;Ti为周期;Ks为流量管的角弹性模量;r为管子的半径;ω为管子的角速度;x为管子的长度.

　　由以上分析过程可知,科里奥利力是产生相位差的直接原因,CMF正是通过测量该相位差而获得质量流量信息的.因此在CMF一次仪表设计中的一个难点是模拟非惯性参考系,以使得流体质点受到科里奥利力[7~10].

　　2　CMF的系统结构

　　一个完整的CMF由一次仪表、变送器和用户操作界面构成,如图1所示.

　　一次仪表通过标准法兰盘连接在管路中,实时接收流体的质量流量、密度和温度相关的诸信息.由变送器对一次仪表的输出信号进行处理.图1中的驱动系统(见图2)是用来模拟非惯性参考系的重要模块.该系统产生稳定的正弦信号,驱动一次仪表的激振线圈工作,并且该信号的频率必须能根据流体密度自动变化,这就要求驱动系统满足以下两个条件:a.能稳定地产生正弦信号;b.能跟踪频率的变化.因此,驱动系统应该是一个自激系统,其振动不依赖于外部频率,同时自激振荡幅度必须维持在合适的水平.

　　设计的驱动系统由两个闭环构成:其一是在U型管某一臂上的传感器和激振线圈之间通过支架实现的物理闭环;其二是用来控制激振信号幅度的增益控制闭环.物理环节必须解决两个问题:一是驱动波形必须有足够大的幅度和功率,因此必须有电压放大单元和功率放大单元,二是反馈回路应满足正反馈的条件,因此必须具备相位调节单元.