科氏質量流量計非線性幅值控制模擬電路研究

候山山　于少東　黃丹平　張芯豪　徐同旭　郭康

摘要：科氏質量流量計的起振時間限制其使用范圍，而起振時間的長短關鍵在于驅動電路。現階段科氏質量流量計模擬驅動電路存在起振速度慢、驅動信號幅值不穩定等問題。針對其問題，改進模擬驅動電路，采用集成芯片組成自動增益電路，輸出幅值穩定信號，并創新性加入變電壓信號控制電路，即對驅動信號進行非線性幅值控制，使流量計驅動信號隨傳感器輸出信號增大而減小，達到使流量計快速穩幅起振。通過對所研發試驗級驅動電路進行仿真分析與實際測試，結果表明：該驅動電路驅動信號穩定且起振速度比現階段模擬驅動電路起振速度更快，抗干擾能力更強。

關鍵詞：改進電路；自動增益；非線性幅值控制；快速起振

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0118-07

0引言

科氏質量流量計（CMF）自從問世以來，因其可以直接測量流體質量流量且測量精度高、使用壽命長等優點，得到廣泛研究和應用，其中以歐美國家和日本在科氏質量流量計的研究領域中處于領先地位，而國內科氏質量流量計起步較晚，技術相對落后。近幾年，國內科氏質量流量計研究明顯加快，主要集中于傳感器信號的處理算法、一次儀表的驅動方案以及硬件系統平臺等。而現階段科氏流量計驅動方案主要為模擬驅動電路，還存在如離散元件過多、占用體積大、起振速度慢、起振不穩定等問題，限制了其進一步應用。為了擴大科氏流量計應用范圍，針對現階段電路所存在問題，由汪俊其等提出一種科氏質量流量計新型模擬驅動電路，即采用集成芯片技術代替傳統離散元器件組成電路。該研究通過對新型模擬驅動電路進行仿真分析和實物測試，實驗結果表明，新型模擬驅動電路在流量管起振的平穩性和起振速度方面與文獻中所提出模擬驅動電路相比都有較大提升，且為以后模擬驅動電路的模塊化、集成化，提供了方向。

然而，在這些已有的研究基礎上，流量計起振的穩定性和起振速度仍然有改進的空間。本文通過對科氏流量計驅動電路工作原理進行分析研究，加入變電壓信號控制電路，使流量計能夠快速起振。經過對研發電路仿真分析與實物測試，該電路與文獻中模擬驅動相比，流量計所需起振時間顯著減少，且抗干擾能力強、驅動信號更穩定，能夠適應更復雜環境，測量精度更高，可擴大流量計應用范圍。

1驅動激振原理與電路組成

科氏質量流量計自激振動系統由模擬驅動電路、振動管、電磁激振器和流量管兩端的傳感器組成，其模擬驅動自激振動系統H-q結構圖，如圖1所示。驅動電路通過流量管兩端速度傳感器獲取振動信號，該信號經過放大濾波后，再經自動增益、功率放大模塊得到驅動信號，驅動電磁激振器，使流量管以一定規律振動，其振動再由傳感器捕獲，形成閉環回路，由此建立起自激振動。

自激振蕩平衡條件為

|H（jω）F（jω）|=1 （1）

式（1）為幅值平衡條件。系統若要自行振蕩，則應滿足下式：

|H（jω）F（jω）|>1 （2）

從圖1中可知，科氏流量計模擬驅動電路主要包含4部分：初級放大電路、低通濾波電路、自動增益模塊和功率放大模塊。在驅動系統工作時，傳感器輸出信號與高頻干擾信號，經初級放大電路進行放大，再輸入到低通濾波電路，濾除高頻信號，保留流量管主頻附近的信號。

自動增益模塊接收濾波電路輸出的信號，其輸出為與輸入呈反向的正弦曲線，從而保證驅動力相位的自適應滿足，無需移相操作。同時自動增益穩幅單元，控制輸出信號的幅值，使其穩定在期望幅值附近，以保證流量管振動的穩定性。

功率放大模塊為流量管振動提供能量，來自自動增益模塊的穩幅信號將被放大為穩定幅值的驅動信號，驅動流量管振動。功放增益效果好壞，將直接影響流量管驅動效果。

2模擬驅動電路改進方案

現階段所使用模擬驅動電路盡管能夠使科氏流量計正常工作，但仍存在起振速度漫、驅動信號不穩定等問題，影響其對流體質量流量測量的準確度，同時限制了在工業中使用范圍。基于此，本文提出由放大濾波模塊、自動增益模塊、變電壓信號控制模塊、功放模塊4部分所組成新型模擬驅動電路，如圖2所示。其中，放大濾波模塊為帶放大信號作用的二階低通濾波器，自動增益模塊為由AD734乘法器芯片和兩個NE5532乘法器芯片組成的自動增益控制電路，變電壓信號控制模塊由NE5532雙運放芯片組成，功放模塊為TDA2030A芯片組成的功放電路。該驅動電路采用集成芯片減少離散電子元件使用數量，精簡電路結構，減少噪聲的引入，從而增加流量管振動平穩性，并增加變電壓信號控制電路，提高流量管起振速度。

2.1二階低通濾波器

由于科氏質量流量計對驅動信號相位與幅值要求較高，而經過一階濾波器濾波后的信號相位與幅值發生較大改變，直接影響流量管起振效果。因此，本文采用比一階濾波器具有更好隔高頻性能，通帶衰減更快，且帶放大作用的二階濾波器對傳感器輸出信號進行處理。圖3為所研發二階低通濾波電路。該電路采用C1、R1、R2、R3、C2、C3、Rf和0P297組成二階低通濾波器，來消除傳感器輸出信號中高頻成分，提高起振信號頻率精度。由于現有科氏質量流量計最高信號起振頻率1 000 Hz以下，在研發電路中，采用具有良好精密性、低通道、低失調電壓和低溫漂的集成芯片OP297，組成二階濾波器。該濾波器可有效濾除高頻信號，提高起振電路工作性能。

在濾波電路中，可通過調整R2和Rf電阻值來調整濾波電路的截止頻率，截止頻率計算公式如下式所示：

如圖4、圖5所示，對所研發二階濾波電路濾波性能進行測試。圖4為疊加干擾信號的傳感器信號，圖5為二階濾波器濾波輸出信號。可以看出，采用二階濾波器的模擬驅動電路，能夠有效濾除噪聲，保留所需振動頻帶，有利于平穩、快速驅動流量管。

2.2自動增益模塊

科氏質量流量計驅動信號幅值的穩定性對其正常起振至關重要。在科氏流量計自激振動系統中，科氏流量計流量管具有低通濾波效果，可自動從噪聲中選出測量系統所需固有振動頻率，選出頻率后，需對信號進行穩幅控制。

自動控制增益電路其工作原理如下：當信號由AD734乘法器芯片輸出后，再由兩個NE5532雙運放芯片組成的放大電路、整流電路、低通濾波、差分放大電路，對信號進行放大、整流、濾波、差分放大處理，并將處理后信號返回輸入模擬乘法器中，形成閉環系統，如圖6所示。

其計算公式如下式所示：

圖7為所研發自動增益電路，由AD734乘法器芯片和兩個NE5532雙運放芯片組成，其增益調節范圍較寬（-11-34dB），具有較高增益線性度。

上述自動增益電路能使輸出信號幅值穩定在-1-1v之間任意值。為驗證自動控制增益電路實際應用效果，將滑動變阻器Rv4設置在某一固定值時，通過信號發生器輸出頻率為181 Hz，幅值為50-800 mV的正弦信號，并將其接入到自動增益電路輸入端，使用示波器對自動增益電路輸出結果進行測試，讀取輸出信號峰值電壓，實驗測試結果如表1所示。可知當可變單元電阻為某一固定值時，改變自動增益控制電路輸入端信號幅值，其輸出信號幅值能準確穩定在系統所需范圍。

2.3變電壓信號控制電路

經過多次對科氏質量流量計進行驅動起振實驗，并對實驗結果分析得出，科氏質量流量計其起振時間長短主要由主振頻率所決定，與驅動電壓無明顯關系。圖8為不同驅動電壓驅動傳感器信號幅值包絡曲線。因此，想要快速起振，必須更改信號幅值，如現以10 v驅動電壓進行驅動，其理論傳感器輸出信號幅值包絡線應如圖中紅色曲線所示，但實際過程中待傳感器信號快達到3v時，將驅動電壓變為6v，此時傳感器信號幅值將不再按照圖8中紅色曲線進行變化，將向6v驅動電壓所生成傳感器信號最大幅值處靠近，此時驅動起振時間顯著減少，達到快速穩幅，這就是從根本上縮短流量計起振時間的原理，即變電壓驅動，或稱非線性幅值控制。圖9為所研發變電壓信號控制電路，由一個NE5532雙運放芯片構成，其工作原理：自動增益電路輸出的穩幅信號不變，流量計驅動信號隨傳感器輸出信號增大而減小，達到不斷改變驅動電壓的目，從而使流量計快速平穩起振。

2.4功率放大模塊

驅動電路的功率放大模塊為模擬驅動關鍵部分，其為流量管提供穩定振動所需驅動力。本文所使用功率放大模塊，以TDA2030集成功放芯片（如圖10所示）作為核心組件。該芯片是一種低電壓、功率可達到18w的放大芯片，不僅具有閉鎖自由運作功能，而且提供輸出信號短路保護和過熱保護。通過二極管D1、D2實現輸出電壓的保護，避免由于輸出電壓過大，出現燒毀負載線圈現象。該集成芯片的使用，不僅減小功率放大模塊尺寸，而且減弱離散元器件之間相互干擾，從而提高流量管的起振效率。

對本文的功放模塊進行性能測試，分別對不同幅值正弦信號進行測試，其功放效果如圖11所示。其中圖11（a）為輸入信號幅值180mV時功放輸出曲線，可看出功放效果較好。圖11（b）為功放輸入輸出電壓曲線，從圖中可知該功放模塊具有較高的線性放大特點，滿足流量計對驅動信號低失真的要求。

2.5整體改進模擬驅動電路

如圖12所示，為本文所研發科氏質量流量計改進模擬驅動電路原理圖。

3改進驅動電路測試

現以四川中測科技發展有限公司TH010型流量傳感器作為測試對象，流量計傳感器流量管主頻約為181 Hz，流量計準確等級0.5級，對文獻中所研究新型模擬驅動電路與本文所研發模擬驅動電路進行起振測試和抗干擾能力測試。

測試中，采用NI的PCI-1747U數據采集卡采集數據。當數據采集結束時，將采集數據導入到Matlab中，以便觀察傳感器信號起振時間曲線和流量管穩定振動后加入外界噪聲干擾的振動曲線。如圖13、圖14所示，分別為文獻中所研究新型模擬驅動電路與本文研發電路對第一主頻約為181 Hz的科氏流量計起振曲線圖，圖15、圖16為流量管平穩振動后加入干擾實驗結果曲線。本測試中流量管起振時間，以上電瞬間開始計時，傳感器輸出信號幅值達到穩定幅值的95%作為終止時刻，兩者之差作為起振時間。可從導出的數據計算出，本文所研發模擬驅動電路平穩驅動流量管，所需起振時間約5 s，而文獻中所研究新型模擬驅動電路則需要15 s左右。由圖15、圖16加入干擾后結果曲線可知，文獻中所研究新型模擬驅動電路受到干擾時需約2 s才能恢復到平穩狀態，而本文所研究模擬驅動電路則是在流量管瞬間偏離原來位置后，又恢復到平穩狀態。測試結果表明，本文所研究模擬驅動電路起振速度更快，所需起振時間顯著減少，且抗干擾能力更強。

相比于文獻中所提出模擬驅動方法，其仿真結果所需起振時間為13.7 s，主要是針對于批料流和兩相流發生的過程中，流量管阻尼比較大且不斷變化的情況下，而本文中對所研究模擬驅動電路進行測試是在空管起振的條件下，其流量管阻尼比較小且幾乎沒有變化，因此所需起振時間與文獻中模擬電路仿真結果有較大差別。

4結束語

為改進科氏質量流量計模擬驅動電路，提高起振速度與增加振動穩定性，對電路中低通濾波器與自動增益模塊進行改進，減低元器件及外界環境對驅動電路的干擾，從而增加驅動信號穩定性，并加入變電壓信號控制電路，即變電壓驅動，使流量計快速平穩起振。使用改進模擬驅動電路對主頻約為181 Hz科氏質量流量計進行測試，實驗結果表明改進模擬驅動電路能夠使流量管快速平穩起振，且起振所需時間顯著縮短，此外，改進模擬驅動具有結構簡單、工作穩定、兼容性好、抗干擾能力強等特點。

（編輯：莫婕）