数字科氏质量流量计闭环系统及信号解算

　　科里奥里质量流量计(简称为科氏质量流量计,即CMF,Coriolis Mass Flowmeter)由传感器和二次仪表组成.传感器敏感被测质量流量和密度,输出与流量性质相关的振动信号;二次仪表根据传感器输出的振动信号确定被测流体的质量流量和密度.相对于其它直接或间接质量流量测量方式,具有许多突出优点:①测量范围大、精度高;②测量管内无零部件,稳定性好;③对流场不敏感,对被测流体的温度、压力、粘度等参数不敏感;④是一种多功能多参数的测量仪表,可同时测量流体密度、两种液体组成的混合流体的比例等[1~3].由于其工作机理和传统信号处理方式的限制,目前此类流量计在现场应用中存在较多实际问题:①对环境噪声敏感,安装在现场的质量流量计会受到各种震动噪声的影响;②信号处理大多采用模拟电路提取信号的相位差,由积分式A/D转换为数字信号后,单片机对质量流量进行解算.由于模拟电路稳定性较差,积分式A/D采样速度低,因此在使用中存在着零点稳定性差,响应时间长,运算精度低等缺点.

　　针对上述现有科氏质量流量计存在的实际问题,设计出一种全新的以数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)为核心、高速高精度并行A/D为手段的信号处理系统,实时处理流量计中两路敏感元件输出的信号,借助现代信号处理算法,精确计算两路信号的相位差和频率,从而得到被测流体的质量流量和密度等信息.

　　1　系统硬件设计

　　系统按照模块功能划分为数字式闭环系统、信号预处理电路、A/D转换电路、信号处理电路、控制及显示电路,硬件框图如图1所示.

　　1.1　数字式闭环系统设计

　　科氏质量流量计属于谐振式传感器,采用闭环自激原理工作.闭环系统时域分析见图2[4]

　　从信号激励器来考虑,某一瞬时作用于激励器的输入电信号为

式中　A1>0为激励电压信号的幅值;ωV为激励电压信号的频率(即谐振子的振动频率,非常接近于谐振子的固有频率ωn).u1(t)经谐振子、检测器、放大器后,输出为u+1(t),可写为

式中　A2>0为输出电压信号u+1(t)的幅值.

　　于是满足以下时域幅值、相位条件时,系统以频率ωV产生闭环自激.

　　传统的闭环系统通过模拟的自动增益控制电路(AGC, Auto Gain Control)调整输出级运算放大器的供电电压来控制输出信号幅度.要构成高精度的AGC电路,系统比较复杂,而且由于模拟电路很难克服的温漂和时漂等问题,造成闭环系统的振幅随时间而变化.鉴于上述问题,在充分分析了AGC控制电路原理的基础上,设计出用于科氏质量流量计的数字式闭环控制系统.