（检测技术与自动化装置专业论文）科氏质量流量计数字驱动方法与两相流实验装置.pdf

合肥工业大学 7 删燃必 f y 1 8 8 石诺芝拦。 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 栅移 合肥精大仪表股份有限公司 高级工程师 委员： 合肥工业大学副教授 合肥工业大学副教授 导师： 合肥工业大学教授 沁、纪 磊主o 、巍坻 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：乡笔诒签字日期：l j 年驴月翻细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘j 允许论文被查阅或借阅。本人授权金目垦王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 九伯 签字日期： i 年呐磺日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 2 导师签名0 主涨5 签字日期：i 年毕月撕 电话： 邮编： 科氏质量流量计数字驱动方法与两相流实验装置 摘要 科里奥利质量流量计能实现高精度的直接质量流量测量，是当前发展最为 迅速的质量流量计之一。科里奥利质量流量计测量中常遇到批料流和两相流的 情况，如灌装饮料、液体气化等。当批料流或两相流发生时，流量管的固有频 率将发生1 0 h z 左右的变化，阻尼将增大2 3 个数量级。模拟驱动的科里奥利 质量流量计由于有限的驱动增益和简单的增益控制算法无法维持流量管稳幅振 动，从而导致测量精度下降，甚至流量管停振。 为了将科里奥利质量流量计应用于批料流两相流的测量，我们研究了全数 字驱动。全数字驱动中可采用更为先进的频率跟踪和幅值控制算法，以克服模 拟驱动的不足。首先，我们提出正负阶跃交替激励启振算法，解决了数字驱动 的快速启振问题；其次，我们采用过零检测算法计算频率，采用非线性幅值控 制算法计算驱动增益，实现了流量管的快速稳幅振动；最后，以t i 公司生产的 d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 研制了变送器，实现了全数字驱动算法。 为了能够测试全数字驱动的科氏质量流量计在测量两相流和单相流方面的 性能，我们研究并设计了科氏质量流量计气液两相流实验装置和科氏质量流量 计水流量标定实验装置。此外，针对单相流标定，提出一种基于系数修正的标 定方法，以获得准确的仪表系数和零点。 对所研制的全数字驱动变送器进行了一系列的实验，如启振实验、单相流 和两相流标定实验。实验结果表明，所研究的全数字驱动提高了流量管的启振 速度，有效地解决了两相流的驱动和测量问题。 关键词：科里奥利质量流量计；全数字驱动；正负阶跃交替激励； 非线性幅值控制；实验装置 d i g i t a ld r i v i n gm e t h o do fc o r i o l i sm a s sf l o w m e t e ra n d t w o p h a s ef l o we x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s a b s t r a c t c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e rc a na c h i e v e h i g h p r e c i s i o nd i r e c tm a s sf l o w m e a s u r e m e n t ，a n di so n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n gf l o w m e t e r s c u r r e n t l y t h e m e a s u r e m e n t so ft w o p h a s ef l o wa n db a t c hf l o wa r eo f t e ne n c o u n t e r e di nt h e a p p l i c a t i o no fc o r i o l i sf l o w m e t e r , s u c ha sf i l l i n gd r i n k sa n dl i q u i dg a s i f i c a t i o n w h e nb a t c hf l o wo rt w o - p h a s ef l o wo c c u r s ，t h ef l o wt u b e sn a t u r a if r e q u e n c yw i l l c h a n g ea b o u t 10h z ，a n dt h em a g n i t u d eo fd a m pw i l l i n c r e a s e2t o3o r d e r s c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e rw i t ha n a l o gd r i v i n gc a nn o tm a i n t a i nt h et u b e s s t e a d y v i b r a t i o nd u et ot h el i m i t e dd r i v eg a i na n ds i m p l eg a i nc o n t r o la l g o r i t h m s ，w h i c h c a u s e sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yd e c l i n eo re v e nt u b e sc e a s i n g a l l d i g i t a ld r i v i n gi ss t u d i e di no r d e rt om e a s u r eb a t c hf l o wa n dt w o p h a s e f l o ww i t hc o r i o l i sf l o w m e t e r i ta d o p t st h ea d v a n c e d f r e q u e n c yt r a c k i n ga n d a m p l i t u d ec o n t r o la l g o r i t h m sf o ro v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so fa n a l o gd r i v i n g f i r s t ，as t a r t u pm e t h o do fa l t e r n a t i n ge x c i t i n gu s i n gt h ep o s i t i v e n e g a t i v es t e p s i g n a li sp r o p o s et os o l v et h ef a s ts t a r t u pp r o b l e mo fa l l - d i g i t a ld r i v i n g s e c o n d ，t h e z e r o 。c r o s s i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mi s u s e dt oc a l c u l a t et h e f r e q u e n c y , a n d t h e n o n l i n e a ra m p l i t u d ec o n t r o la l g o r i t h mi su t i l i z e dt oo b t a i nd r i v eg a i na n da c h i e v e t h ef l o wt u b e sf a s ts t e a d yv i b r a t i o n f i n a l l y ，at r a n s m i t t e ri sd e v e l o p e du s i n gt h e t i sd s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5a st h ec o r ep r o c e s s o rt oi m p l e m e n tt h ea l l d i g i t a l d r i v i n ga l g o r i t h m t w o - p h a s ef l o we x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa n dw a t e rf l o wc a l i b r a t i o ns e t u po f c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e ra r es t u d i e da n dd e s i g n e di no r d e rt oe x a m i n et h e p e r f o r m a n c eo fa l l d i g i t a lc o r i o l i sm a s sf l o w m e t e ri nm e a s u r i n gt w o - p h a s ef l o w a n ds i n g l e - p h a s ef l o w i na d d i t i o n ，ac a l i b r a t i o nm e t h o di s p r o p o s e db a s e do n p a r a m e t e rm o d i f i c a t i o ns oa st oo b t a i na c c u r a t ei n s t r u m e n tc o e f f i c i e n ta n dz e r o o f f s e ti nt h es i n g l e p h a s ef l o wc a l i b r a t i o n as e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dw i t ha l l - d i g i t a lt r a n s m i t t e rd e v e l o p e d b yu s ，s u c ha ss t a r t u pe x p e r i m e n t s ，s i n g l e - p h a s ea n dt w o p h a s ef l o wc a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l l - d i g i t a ld r i v i n gi n c r e a s e s t h es t a r t u pv e l o c i t ya n de f f e c t i v e l ys o l v e st h ed r i v i n ga n dm e a s u r i n gp r o b l e m so f t w o - p h a s ef l o w k e y w o r d s ：c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ；a l l - d i g i t a ld r i v i n g ；a l t e r n a t i n ge x c i t i n gu s i n g p o s i t i v e - n e g a t i v es t e ps i g n a l ； n o n l i n e a r a m p l i t u d e c o n t r o l ： e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 4 致谢 首先感谢我敬爱的导师徐科军教授。无论从论文的选题、资料收集、实验 室研究，还是现场实验的整个过程，都倾注着徐老师大量的心血。徐老师既能 把握住课题的大方向，又能放手让我们去努力实现自己的想法，使我们得到很 好的锻炼。当我们遇到困难时，徐老师就会组织大家进行讨论，在讨论中拓展 思路，并总结出解决问题的方案。当我们课题有进展时，徐老师也会组织大家 进行汇报，总结成功经验。在实验条件欠缺的情况下，徐老师鼓励我们主动创 造条件进行实验，并积极联系国内各大流量仪表公司，争取到了现场实验标定 的条件。在整个研究生学习期间，徐老师不仅仅传授了我科学知识，更以他勤 奋的工作、严谨的作风、务实的态度和创新的理念时时影响和督促着我，这些 宝贵的人生经验会令我受用终生。在此，谨向恩师致以最诚挚的谢意和最崇高 的敬意! 本课题是与朱永强、李叶、侯其立、方敏、熊文军、刘翠等成员共同合作 研究的。大家齐心协力、同甘共苦，一起解决困难，一起承受比赛与出差的压 力，互相鼓励、默契合作，不断取得阶段性的成果，被徐老师夸赞为实验室最 佳团队。在此，感谢你们对我的帮助和指导，我将永远记得“科氏组 这个优 秀的团队。 感谢太原太航流量工程有限公司、上海一诺仪表有限公司、重庆川仪自动 化股份有限公司、重庆耐德工业股份有限公司罗尼克分公司提供现场实验条件 和耐心指导。 感谢实验室的黄云志老师、王海欣老师，感谢你们三年来对我学习上的鼓 励和帮助。感谢实验室的杨双龙、李祥刚、朱志海、刘三山、刘家祥五位师兄 以及梁利平和陈佳臻师姐，你们不仅在学习上为我们提供了宝贵的科研经验， 在生活上也对我关怀备至! 感谢实验室朝夕相处的兄弟姐妹，大家一起学习， 互相讨论，共同分享思路，让我受益匪浅。感谢你们的帮助，使我的课题得以 顺利进行。 最后，要特别感谢我的家人，尤其是爸爸，妈妈，感谢你们为我付出的辛 劳! 感谢你们对我的支持和无微不至的关怀，你们无私的付出使我能够顺利的 完成学业，愿家人幸福安康! 还要感谢我的男朋友，感谢你一直以来对我的包 容和鼓励! 感谢亲戚们二十多年来对我以及我家人的关心和鼓励! 感谢一直激 励我上进的人们! 作者：李苗 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 课题提出的背景及意义1 1 2 国内外研究状况1 1 3 科氏质量流量计简介2 1 3 1 科氏质量流量计组成及工作原理2 1 3 2 科氏质量流量计一次仪表建模3 1 4 驱动方案4 1 4 1 模拟驱动4 1 4 2 半数字驱动。5 1 4 3 全数字驱动5 1 5 本文的主要研究内容6 1 5 1 全数字驱动研究6 1 5 2 实验装置设计7 1 5 3 标定方法研究7 第二章基于波形合成的全数字驱动算法及实现8 2 1 自激信号的选择9 2 1 1 正弦波信号9 2 1 2 正负阶跃交替激励信号1 0 2 2 频率估计算法：1 l 2 2 1 自适应格型i i r 陷波器1 l 2 2 2 过零检测算法1 2 2 3 正弦波合成算法1 4 2 3 1 递归算法1 4 2 3 2 直接数字频率合成( d d s ) 算法1 5 2 4 非线性幅值控制方法1 7 2 4 1 幅值检测算法1 8 2 4 2 控制器的输入18 2 4 3 变比例的p i 控制器1 9 2 4 4 控制效果仿真2 0 2 5 系统实现2 l 2 5 1 硬件结构框图2 2 2 5 2d s p 芯片介绍2 3 2 5 3 系统模块介绍2 4 6 2 5 4 全数字驱动软件设计2 9 2 6 本章小结3l 第三章实验装置3 2 3 1 装置设计的基础知识3 2 3 1 1 流量测量方法3 2 3 1 2 流量标准装置3 2 3 1 3 标定装置的选择：3 4 3 2 实验装置设计3 5 3 2 1 气液两相流实验装置3 5 3 2 2 水流量标定实验装置3 9 3 2 3 精度分析4 6 3 3 标定方法研究4 6 3 3 1 检定误差分析4 7 3 3 2 标定方法的设计思想4 8 3 3 3 标定方法的具体实施4 9 3 4 本章小结5 l 第四章实验结果5 2 4 1 启振实验5 2 4 2 单相流标定实验5 3 4 3 两相流测量实验5 6 4 3 1 两相流测量的定性实验5 6 4 3 2 两相流测量的定量实验5 7 4 4 本章小结：5 8 第五章总结与展望6 0 5 1 总结6 0 5 2 展望6 l 参考文献6 2 硕士阶段撰写的论文、申报的专利和获得的奖励6 6 附录6 7 附录一：数字变送器实物图6 7 附录二：测试与标定现场6 8 附录三：标定原始数据7 2 7 插图清单 图l 一1 流量计一次仪表的结构图2 图l 一2 没有流体时传感器信号图3 图1 - 3 有流体时传感器信号3 图1 4 模拟驱动电路原理框图4 图1 - 5 半数字驱动功能结构图5 图1 6 全数字驱动控制回路框图6 图2 1 全数字驱动原理框图8 图2 2 流量管正、负阶跃响应l o 图2 3 基于频率跟踪的正负阶跃启振法仿真图1 l 图2 4 格型i i r 陷波器1 1 图2 - 5 格型滤波器跟踪频率效果1 2 图2 6 过零检测原理图1 3 图2 7 数字式过零检测算法结构图1 3 图2 8 合成的正弦波1 4 图2 9 递归算法合成正弦波流程图15 图2 1 0 正弦波形采样示意图1 6 图2 11d d s 原理框图：1 6 图2 1 2 非线性幅值控制框图1 7 图2 1 3 非线性幅值控制流程1 8 图2 1 4 存储单元中数据变化的过程图1 8 图2 15 不同误差函数的曲线图1 9 图2 16 控制器的仿真框图2 0 图2 1 7 速度信号的幅值输出2 0 图2 18 驱动电压的输出2 0 图2 19 两相流的非线性幅值控制仿真效果图2 l 图2 2 0 变送器硬件框图j 2 2 图2 2 l 变送器实物图2 3 图2 2 2 全数字驱动硬件框图2 4 图2 2 3 普通的d a c 与m d a c 输出的正弦波2 6 图2 2 4 型a d c 结构2 6 图2 2 5d s p 资源分配2 7 图2 2 6 系统供电方案图2 8 图2 2 7 启振操作流程2 9 图2 2 8 启振后驱动流程图3 0 图3 1 液体流量标准装置分类3 3 图3 2 原始液体流量标准装置框图3 3 图3 3 装置的原理结构图3 6 图3 4 装置的实物图3 8 图3 5 结构原理图4 l 图3 6 一种科里奥利质量流量计标定方法的技术流程框图4 9 图3 7 估计标定流程框图4 9 图3 8 修正标定流程框图j 5 0 图4 1 模拟驱动启振效果曲线图5 2 图4 2 半数字驱动启振效果曲线图5 2 图4 3 全数字驱动启振效果曲线图一5 3 图4 4 匹配7 0 v s 型号传感器的标定误差曲线5 4 图4 5 匹配l z l 8 3 0 型号传感器的标定误差曲线5 4 图4 6 匹配l z l 8 2 0 0 型号传感器的标定误差曲线5 5 图4 7 气液两相流两个表计算流量比较图5 6 图4 8 两相流下校正流量计算误差5 7 图4 9e r e 0 6 两相流下校正流量计算误差5 8 2 表格清单 表3 - l 气液两相流装置零部件参数表3 9 表3 2 水流量标定装置零部件参数表4 5 表4 1 匹配c m f 0 2 5 传感器的标定结果5 5 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 科里奥利质量流量计( 以下简称科氏质量流量计) 能实现高精度的直接质量 流量测量；测量介质范围广，包括常规流体和非常规流体如浆液、压缩天然气 等；可实现多参数测量，即在测量质量流量的同时，可以获得密度、体积流量、 温度测量值。科氏流量计因其极高的测量精度、可靠性以及非常低的维护费用 而广泛地被推广和运用在各个工业领域【l ，2 】，是当前发展最为迅速的流量计之 一。 但是，几乎所有流量仪表都有其局限性，特别是对批料流和两相流的测量。 如给火车或卡车装料，要求在装料完成后管线完全被排空，下次装料前，流量 的测量将从空管状态开始，当装料结束后同样要求管线被排空，这样的过程便 是空满空的批料流过程：两相流如泵或管道的密封圈泄露、液体汽化等使得 液体中掺杂气体的现象。通常气体在液体中的含量会在0 5 的低范围内，但 也有气体含量在3 0 或以上的情况。 当批料流或两相流发生时，流量管的频率将发生近1 0 h z 的变化，阻尼比 将发生2 3 个数量级的变化【3 5 1 。传统的模拟驱动【6 ，7 1 因其有限的驱动增益、简 单的增益控制算法和固定不变的硬件控制参数致使流量管不能快速地进行频 率、相位和幅值的跟踪控制，从而不能提供足够的驱动能量，导致流量管停振， 无法测量。 为了将科氏质量流量计应用于批料流或两相流的测量，我们研究全数字驱 动【8 以1 1 的科氏质量流量计。在全数字驱动中，我们可以采用更为先进的频率跟 踪和幅值控制算法，来克服模拟驱动的不足。 为了能够测试全数字驱动的科氏质量流量计在测量两相流和单相流方面的 性能，实验平台的建立是必要的，因此我们研究并设计了科氏质量流量计气液 两相流实验装置( 以下简称气液两相流实验装置) 和科氏质量流量计水流量标 定实验装置( 以下简称水流量标定实验装置) 。 1 2 国内外研究状况 目前，国外的一些学者对流量管的幅值控制算法进行了研究，提出了非线 性幅值控制算法【1 2 1 ，同时还研究并设计了基于f p g a 的数字式科氏质量流量计 驱动系统【”15 1 ，由f p g a 实现信号滤波、数据缓存和驱动波形合成，质量流量、 密度等的测量由处理器完成。他们研制的数字驱动科氏质量流量计在一定程度 上解决了气液两相流发生时流量管阻尼比增大而导致流量管振动不稳定的问 题。 国内生产厂家生产的科氏流量计大多采用模拟驱动电路，应用于测量单相 流，研究重点还是放在科氏质量流量计的信号处理部分【8 1 ，如何提高科氏质量 流量计的静态精度。随着工业发展的需求，国内各仪表生产厂家近几年技术上 在逐步提高。太原航空仪表有限公司在国内自主研发的仪表生产厂中，属历史 早、实力强的企业，目前正与北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的郑 德智、樊尚春和邢维巍几位老师进行探讨研究，从仿真与电路实现的角度给出 了半数字驱动的实现方法。在合肥工业大学电气与自动化工程学院徐科军老师 的带领下，于翠欣等曾研制了基于a d i 公司d s p 2 18 1d s p 的科里奥利质量流量 变送器l l 6 1 7j ，采用的是模拟驱动方式；李祥刚等曾研究过非线性幅值控制算法 1 1 8 1 ，但由于实际条件限制，控制算法只通过了仿真验证。 1 3 科氏质量流量计简介 1 3 1 科氏质量流量计组成及工作原理 科氏质量流量计由一次仪表和二次仪表组成，其中一次仪表包括测量管、 传感器和激振器，一次仪表结构图如图1 1 所示；二次仪表则是一次仪表输出 信号的处理系统，其主要有三种功能：为激振器提供激振信号；对两路传感器 拾取的信号进行分析处理并输出测量信息；与上位机等设备进行通讯。 图1 - 1 流量计一次仪表的结构图 当二次仪表给激振器提供激振信号时，激振线圈和磁铁发生相对运动，使 得测量管相应的正弦振动，当激振信号频率等于振动管的固有频率时振幅最大。 如果没有流体流过，两路传感器检测到的信号相位一致，如图1 2 所示。而当 有流体流过时，两路传感器信号之间有时间差，出口端超前于入口端，如图1 3 ， 该时间差与流体的质量流量成正比，通过求出时间差就可以得到流体的质量流 量，其表达式如下： k q 埘= k , l w a t 8 r 2 w l = 毒， ( 1 1 ) o ， 式中，k 。为管子的角弹性模量，为u 型管弯曲部分的半径。 2 入口端振 动信号 出口端振 动信号 图1 - 2 没有流体时传感器信号图 时闭 图1 - 3 有流体时传感器信号 闸 1 3 2 科氏质量流量计一次仪表建模 一次仪表的数学模型【1 2 】是研究科氏流量计驱动系统的前提，它对研究流量 管的全数字驱动极其重要。一次仪表一般都采用第一主振型。为了简化分析， 我们采用维有阻尼受迫振动系统来描述第一主振型，其振动的微分方程为 m 2 ( t ) + c i c ( t ) + k 。x ( t ) = f ( t ) ( 1 2 ) 式中，m 、c 、吃、x ( r ) 和f ( t ) ，分别是流量管有效质量、阻尼常数、刚度、流 量管的位移和驱动力。 电磁激振器产生的吸引力为： f ( t ) = 马以) = 毛以) 式中，骂、，。和以) 分别是磁感应强度、线圈长度和输入电流。 速度传感器输出电压1 ，( f ) 为： 1 ，p ) = 垦乞戈o ) = k 2 i c ( t ) 式中，骂、，：和x ( f ) 分别是磁感应强度、线圈长度和振动位移。 和( 1 4 ) 可以得到电压v ( f ) 和电流砸) 之间的关系为： ，竹m k s ( 1 3 ) ( 1 4 ) 由式( 1 2 ) 、( 1 3 ) ( 1 5 ) 一万秀瓦忑孑 式中，蜒= 毛岛一q = 厝，缶二赤。点是流量管晶阻尼比，是自然角 频率。 3 生矗糕 一 占 盟 1 4 驱动方案 对于科氏流量计的驱动系统来说，当驱动力的频率接近流量管的固有频率 时，消耗的能量最少。所以，在科氏流量计工作的过程中，驱动电路要能够自 动跟踪流量管固有频率的变化，这样有利于一次仪表流量管的启振以及增强对 流量管振动的控制能力。从科氏流量计的发展来看，驱动系统主要经历了模拟、 半数字以及全数字驱动三个阶段。模拟驱动中驱动信号回路及其控制均由模拟 器件组成，不需要c p u 参与，能满足稳定单相流场合的要求，国内科氏流量计 厂家基本上都采用模拟驱动方式；半数字驱动中驱动信号回路由模拟器件组成， 驱动控制量由数字计算产生，本实验室李祥刚等曾研究过非线性幅值控制算法， 但由于实际条件限制，控制算法只通过了仿真验证；全数字驱动则在驱动信号 回路中引入数字系统，驱动信号和驱动控制量均来自数字系统的输出，该驱动 方式为本文的研究重点。这三种驱动方式在技术上和驱动效果上均是逐步提高 的，下面简要地介绍一下各驱动方式的基本原理。 1 4 1 模拟驱动 模拟驱动是目前国内普遍采用的科式流量计驱动技术，采用正反馈，直接 通过模拟电路对流量管输出信号进行增益控制并输出以驱动激振器。模拟驱动 电路1 6 j 主要由信号调理( 电压跟随，放大滤波) 、整流电路、增益控制、差动放 大、乘法电路、振动过强保护电路、电压放大、功率放大等环节组成，原理框 图如图1 4 所示。其工作原理是先对传感器信号滤波消噪，再由整流电路得到 与信号幅值成正比的直流信号，作为增益控制电路的输入，而后增益控制输出 与传感器信号相乘放大得到驱动激励信号。 传号 图1 4 模拟驱动电路原理框图 由式( 1 5 ) 可知，流量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，包括了这一频率成分。系统上电时， 模拟驱动回路中产生包含流量管固有频率分量的白噪声，该噪声通过驱动电路 后激励流量管使其输出一定幅值的固有频率信号，该信号进一步反馈给驱动电 路控制激励，由正反馈机制使流量管自行启振，并以硬件电路设置的期望幅值 稳幅振动。只要流量管固有频率变化不大或变化比较缓慢，则该驱动方法在经 过一定时间后能自动完成频率和相位跟踪而不致停振。但在批料流发生时，固 4 有频率变化会比较频繁，气液两相流发生时，流量管阻尼比会发生较大变化， 而该驱动方法因其有限的驱动增益、简单的增益控制算法和固定不变的硬件控 制参数致使其不能快速进行频率、相位和幅值的跟踪控制，进而常常会使流量 管停振，驱动失效。 1 4 2 半数字驱动 半数字驱动【1 9 1 与模拟驱动的主要区别在于增益控制部分，其余部分相同。 该方案中的控制增益由软件程序根据信号特征通过增益控制算法计算获得进而 改变驱动信号幅值。其功能结构图如图1 5 所示。 ； 增益控制 i l 一一j 图1 5 半数字驱动功能结构图 与模拟驱动相比，峰值检测和非线性幅值控制为该驱动方案的两大亮点。 该方案中通过比较连续采样的三点幅值大小检测峰值，第一个波峰出现时就可 以检测出其幅值，实时性好。非线性幅值控制中，非线性单元( 取自然对数) 可以使求的差值比直接相减来得大，这样就加快了控制的速度；采用p i 控制可 实现无差调节，且控制增益是通过数字方法获得，灵活性较强，可以实时改变 p i 调节器的参数以达到更好的控制效果，同时可根据具体情况实时改变流量管 稳定工作时期望的振动幅值。 半数字驱动依然靠电路中的噪声通过正反馈自行启振。但由于采用较为先 进的非线性幅值控制，启振时间能大大缩短，从而能提升启振性能，且流量管 最终以数字控制的期望幅值稳幅振动。 半数字驱动虽通过软件实现幅值增益控制，控制算法比较灵活，缩短了启 振时间，但由于控制回路仍由固定参数的模拟通路组成，从而制约着驱动跟踪 控制性能的进一步提升。 1 4 3 全数字驱动 与前面两种驱动方法不同，全数字驱动在控制回路中引入数字系统环节， 对采集的传感器输出信号进行分析、处理、合成驱动信号输出以驱动流量管， 从而结合了半数字驱动的优点，解决了其中所存在的制约条件。全数字驱动的 控制回路框图如图i - 6 所示。 5 信号 科氏沉量计 图1 6 全数字驱动控制回路框图 启振前，由于传感器中无有效信号供处理器d s p 分析，因此由d s p 先产 生自激信号1 2 m 2 引，然后根据所采集的传感器信号相位实时改变激励信号，采用 正负阶跃激励。当传感器中输出信号幅值足够大时停止激励，d s p 通过a d c 采集信号、滤波、计算流量管的固有频率、相位以合成正弦驱动信号。其中， 正弦驱动信号的相位需与传感器输出信号相位相差1 8 0 。，因而在相位跟踪计 算时需考虑信号在传输和计算过程中的延时。最后，将合成波形与非线性幅值 控制得出的增益相乘作为驱动信号输出。 全数字驱动方法不仅保留了半数字驱动中非线性幅值控制的优点，即在高 阻尼情况( 如两相流) 时可以改变所维持振动的幅度，而且在需要快速减小振 幅时能够提供一个负的增益。负增益不但能使振幅的调节更灵活有效，也使流 量管在小幅度高阻尼下能维持稳定振动。据此可知，全数字驱动具有很强的幅 值跟踪能力。另外，从驱动启振过程可知，全数字方法合成信号时频率、相位 跟踪虽不能由系统电路自动完成，但其频率相位跟踪算法的灵活性使流量管能 快速启振，即采用正负阶跃交替激励启振结合频率估计算法快速准确地获得流 量管固有频率及相位，进而解决了半数字驱动中模拟回路的制约因素。固有频 率发生改变时也能实时检测并快速跟踪。即使不能实时给出合适的驱动信号， 也能判断出频率发生了较大变化，从而运用起始时的启振方法使流量管再次快 速进入新的稳定工作状态。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 全数字驱动研究 本课题来源于国家“8 6 3 计划面向批料流两相流测量的全数字式科氏 质量流量变送器研制( 2 0 0 9 a a 0 4 2 1 2 8 ) 、合肥工业大学专利转化基金项目全 数字式科氏质量流量变送器研制( 2 0 0 8 h g c z 0 5 2 3 ) 和有关企业委托项目。本论 文全数字驱动研究的主要内容为： 1 研究基于波形合成的全数字驱动； 2 研究全数字驱动中的快速启振； 3 研究频率估计算法； 4 研究流量管的自适应幅值控制，通过仿真验证和实际实验验证： 6 5 研究全数字驱动系统，实现流量管快速启振、幅值控制、频率跟踪、相 位跟踪算法； 1 5 2 实验装置设计 系统的研制对于算法实现具有支撑作用，而针对流量仪表，流量标准装置 的研究与应用是流量计量和检定技术的重要环节。因此，本文还研制了实验装 置，用于研究流量计测量单相流精度以及测量气液两相流等性能，主要内容为： 1 装置设计的基础知识介绍； 2 科氏质量流量计气液两相流实验装置设计，包括功能与指标、主要组成 及工作原理以及主要部件选型的介绍； 3 科氏质量流量计水流量标定实验装置设计，包括功能与指标、主要组成 及工作原理以及主要部件选型的介绍； 4 对影响装置精度的因素作简要分析； 1 5 3 标定方法研究 仪表标定是流量仪表出厂前或者在实际应用前首先必须进行的一个检定环 节，其目的是获得流量仪表的仪表系数和零点偏移量( 以下简称零点) 。仪表系 数和零点的精度直接影响着仪表的测量精度。为了得到准确的流量仪表系数和 零点，本文还研究并提供一种可靠的科氏质量流量计标定方法。 7 第二章基于波形合成的全数字驱动算法及实现 随着科技和工业生产的发展，特别是过程工业的发展，需要采用科氏流量 计测量批料流和气液两相流等复杂流体。但由于市场现有型号科式流量管空满 管固有频率大多相差近l o h z ，两相流发生时阻尼比变化有两个数量级以上，而 实际测量要求流量管以固有频率稳幅振动，因而在批料流或两相流发生时，驱 动系统如何进行频率、相位和幅值的快速跟踪控制至关重要。现有的模拟驱动 启振时间长，且无法维持流量管在复杂流体工况下稳幅振动，甚至可能造成流 量管停振。为此，我们研究数字驱动方法。数字驱动即在控制回路中引入数字 系统环节，通过数字合成的方法输出信号驱动流量管，并结合先进的幅值控制 算法使流量管快速进入稳幅振动的工作状态。 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。激振系统一般都采用第一主振型。所以，可以采用一维有阻尼受迫振动系 统来描述第一主振型，即流量管模型的传递函数可表示为： g = 靠 汜t ) 式中，k 。为与流量管特性有关的参数，f 、织分别为阻尼比和自然振荡角频率。 当激振信号频率等于激振系统的固有频率时，流量管输出信号振幅最大， 所需提供的驱动能量最省。全数字驱动原理框图如图2 1 所示，其工作原理为： 在数字驱动的起始阶段，即启振阶段，启振开关合上，由驱动模块产生系统自 激信号激振流量管；当流量管上传感器的输出信号幅值u 达到一定值a 后，停 止激励，进入零驱动模式；由频率估计算法获得准确固有频率，合成正弦驱动 信号；结合非线性幅值控制算法，使流量管迅速启振，启振结束；当流量管启 振后，传感器就会有足够幅值的信号输出，此时停止给自激信号，即启振开关 关闭；由信号采集模块采集传感器信号，并由频率估计算法实时跟踪流量管的 频率；根据估计的频率合成正弦波驱动信号；结合非线性幅值控制算法，使流 量管维持在期望幅值工作。 图2 1 全数字驱动原理框图 可见，产生自激信号【2 5 , 2 6 】、频率估计、正弦驱动信号【2 0 埘1 合成以及非线性 幅值控制是基于波形合成的全数字驱动的几大关键技术。 8 2 1 自激信号的选择 2 1 1 正弦波信号 可以采用正弦波、三角波、方波、随机波等作为自激信号。正弦波作为驱 动信号时，能量最省，且效率最高，因此正弦波为首选自激信号。当初始激励 为正弦波时，即 x o ) = 彳s i n ( c o a t + o o ) ( 2 2 ) 式中，嘞= 2 7 r 力，乃为驱动频率，么为正弦驱动的幅值，为方便计算，设初始相 位0 0 = 9 0 。 对式( 2 2 ) 进行拉普拉斯变换，再与式( 2 1 ) 相乘，通过反拉普拉斯变 换可得流量管的正弦响应函数为： j ，o ) ：2 a k i ( b i c 0 1 s 了c = o a _ = t 了- a ls i n c o a t ) + 2 a k 2 ( a 2c o s e o , t + 62s i l l ，) p 一叫 ( 2 3 ) + 口 。 式中， = c o 4 1 一f 2 为流量管固有频率，仃= 他为与阻尼比及自然振荡 角频率有关的指数衰减因子。 可见，传感器输出含有两个频率分量：稳定的驱动信号频率分量和衰减的 固有频率分量