科里奧利質量流量計變送器新型硬件設計

劉麗麗 劉同禮 曹亞卿 金小香

摘要：文章以DSP為基礎，進行應用于汽車壓縮天然氣流量測量的科里奧利質量流量變送器的設計與研究，其硬件電路主要由左右通道信號采樣電路、信號處理電路和驅動放大電路及溫度檢測補償電路組成。新型采樣電路可以減少電子零點誤差，并通過音頻編解碼器內部ADC采集傳輸給DSP，進行相位差計算。

Abstract： The article is based on DSP and applied to the flow of compressed natural gas in automobiles. The design and research of the measured Coriolis mass flow transmitter， its hardware circuit is mainly composed of left and right channel signal sampling circuit， signal processing circuit， drive amplifier circuit and temperature detection compensation circuit. The new sampling circuit can reduce the electronic zero error， and is collected and transmitted to the DSP through the internal ADC of the audio codec for phase difference calculation.

關鍵詞：科里奧利質量流量計;諧振頻率;二階阻尼系統

Key words： coriolis mass flowmeter;resonance frequency;second-order damping system

中圖分類號：TH814? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0016-02

0? 引言

壓縮天然氣是壓縮天然氣汽車的燃料，對于在用車而言，通過將定型汽油車改裝，以對原車供油系統的保留為前提增加一套專用壓縮天然氣裝置，便可形成壓縮天然氣汽車，燃料轉換只需將開關撥動即可。加沖一次天然氣，壓縮天然氣汽車能夠行駛大約200公里，對于公共汽車、市內的士以及往返里程在200公里以內的中巴車等十分適用。汽車加氣站的貿易結算工作對壓縮天然氣流量測量提出較高要求，目前應用于壓縮天然氣流量測量的流量計以氣體腰輪流量計、氣體渦輪流量器、旋進漩渦流量計等為主。科里奧利質量流量計（以下簡稱科氏流量計）可對流體質量進行直接的測量，準確性、重復性、穩定性比較高，流體通道內無阻流元件與可動部件，基于可靠性好與壽命長等優勢在汽車用壓縮天然氣、能源、航天等部門的應用越來越廣泛。文章基于工作原理就其變送器新型硬件的設計展開研究。

1? 汽車壓縮天然氣流量計——科氏流量計變送器工作原理

應用于汽車壓縮天然氣流量測量的科氏流量計是一種直接測量質量流量的儀表，一次儀表sensor的流量管兩端進口與出口安裝兩個傳感器、中間放置驅動器、流量管鉑金電阻溫度計組成，少數高精度還有殼體溫度計。流量管會以固有頻率振動，當空管沒有流體流過時，流量管不會因為科里奧利力而發生移位偏移，兩路傳感器線圈同時切割圓柱型三鈷磁鐵從而輸出信號同相位，有流體流過時，兩路信號即產生與質量流量成正比的相位差。二次儀表即變送器一方面為驅動器提供激振信號，傳感器本身就是二階阻尼諧振選頻系統，采集兩路傳感器信號多抽一濾波、自適應格型陷波濾波、HILBERT互相關與自相關算法算出其相位差最后經過溫度補償得到高精度的質量流量。

科氏流量計變送器系統包括基于ADI公司ADSP-BF523的數字式浮點DSP、采樣調理系統，數字閉環驅動系統，溫度檢測補償系統，脈沖與4-20mA模擬輸出系統，人機接口系統，驅動系統基于增益控制的半數字驅動控制系統，以及完全通過DSP內部的波形合成進行驅動控制全數字控制系統。

全部的科氏流量計都需要進行1個旋轉體系的人為建立。此處以雙“U”型測量管為例，采用電磁驅動方法令“U”型測量管的回彎位置進行周期性微小振動，這種微小振動類似于讓“U”型測量管沿著一個固定的軸作周期性的時上時下的旋轉，旋轉方向呈現周期性變化趨勢，大致類似于鐘擺一樣的運動。由于“U”型測量管的出入口位置是被固定的，這樣就等同于建立了1個將“U”型測量管出入口段作為固定軸的旋轉體系。當“U”型測量管向上振動，但是并沒有流體流過之時，根據右手螺旋法則，四指指向旋轉方向，此時，大拇指所指向的方向即外加驅動的圓頻率ω。當有流體進入“U”型測量管時，在慣性的影響之下，流體會對“U”型測量管強加給它的垂直動量做出相應的反抗，此反抗表現為：在“U”型測量管的入口段，當測量管是向上振動時，流體會將測量管向下壓，而在“U”型測量管的出口段，當測量管是向上振動時，流體又會將測量管向上推。在流體的這種反抗作用下，“U”型測量管會發生扭曲，此即科氏流量計的作用結果。

2? 信號產生與采集系統

汽車壓縮天然氣質量流量與兩路傳感器的信號相位差成正比，或者說與兩個信號的時間差成正比。最小的時間差可以精確到400ps，所以精確測量Delta T是質量流量測量的關鍵。這里要考慮很多因素如零點的偏移、溫度補償、壓損補償、管壁腐蝕影響、兩相流問題。需要兩路高精度的ADC對兩路信號進行無相位差的同步采樣，另外全數字的要DAC進行數字到模擬的轉換輸出驅動控制信號，選用ADC與DAC集成在一起的芯片可以既提高性能又可以降低成本。選用AKM公司的AK4556公司的音頻解碼芯片Codec，它包括兩路單輸入的24位ADC和兩路差分輸出的24位DAC，傳感器輸出信號經過高精度的低通濾波電路并放大，在經偏置電壓1.5V，這樣直接進入CODEC內部的ADC采樣通道，這樣可以盡最大可能減小電子零點的誤差。1.5V的參考電壓是由CODEC產生。CODEC所用的工作時鐘是由12.288MHz有源溫補晶振提供，CODEC的主頻模式有48KHz、32KHz、44.1KHz，正常的它有不同三種工作模式即ADC與DAC同時工作，ADC單獨工作，DAC單獨工作。

采樣調理電路采用高共模抑制性能儀表放大器，并盡量減小儀器所受的溫度影響與offset的漂移。電路采用前級的共模濾波內部鏡像電流源的轉換模式，通過外部電阻可以調節增益的大小，最后通過一階低通濾波輸出給CODEC芯片。

3? 驅動系統

科氏質量流量計必須要在系統固有的諧振頻率點才能進行汽車壓縮天然氣正確的質量流量測量，快速起振同時保證振幅穩定是系統是否可靠的重要指標之一。當流體的介質發生變化時如流體的密度發生變化（如兩相流、批料流）時，這時流量管諧振頻點被打破必需快速的尋找到新的諧振頻率點進行正確的測量。傳統的驅動電路由模擬電路實現，缺點是起振慢，而且容易受到外界的干擾，電路較為復雜，尤其電子器件本身的公差范圍造成測量精度限制。數字驅動電路的驅動要明顯快于模擬的驅動，便于驅動增益的快速調節，電路結構相對簡單，數字驅動的軟件較為復雜需要微處理器參與計算、控制。所以文中對全數字驅動做了全面的介紹。

盡管基于DAC的半數字驅動方式可以在流量管起振的最初階段提供較大的增益，但此時傳感器輸出信號很小，驅動信號需要持續一段時間，穩定后退出飽和需要一定時間。但基于波形合成的數字方式能根據增益、信號頻率、相位等信息合成需要的波形，不受傳感器信號幅值的限制，因此不僅能在起振初期就提供很大的驅動信號，加快起振，而且能在進入穩定后迅速切換到諧振驅動狀態。全數字驅動方式的驅動信號由DSP內部合成，硬件電路簡單，軟件復雜。基于DSP內部波形合成的驅動方式，驅動信號由Codec內部DAC輸出，該DAC為差分輸出且偏置至1.5V，差分信號經放大、濾波，經Howland電流型功放電路驅動激振器。U1實現差分信號轉單端信號的功能，U1及外圍阻容器件構成差分低通濾波器。U1的OUT+與U2的OUT+幅值相等，相位差180，R5=2×R2，對DAC輸出差分信號放大，然后U1同相輸入端的直流分量為1.5V，而U1輸出交流分量幅值減半。U2輸出幅值為AOUT+，這時U1輸出為0V對應差分信號的下面部分輸出，在取樣電阻上面有浮地交流信號，大小等于5*Idr。電路中選用了大電流200mA的單運放，另選用0.1%高精度、小溫漂10-25ppm的電阻與NPO電容盡量提高驅動電路的穩定性能。另外在驅動電路里面加入兩個25Ω作為功能安全限流需求，有些電路還在驅動輸出端用雙向鉗位管作齊納柵的保護處理。

4? 汽車壓縮天然氣流量測量實驗結果

實驗之前有兩點需要強調：①科氏質量流量計的測量精度需在適宜的流速下才能達到要求，如果管道比較大而測量的流量比較小，為保證流速與測量精度，需要對縮徑的流量計加以選用，但是如果縮徑太多，會大幅度增加流量計的前后壓差，這有可能會大于工藝所要求的最大允許壓差，顯然無法滿足工藝要求。此外，流速也并非越大越好，如果流速過大，壓降也會過大，這會增加對流量計的沖刷能量，進一步對流量計的測量精度及使用壽命產生影響。在一般情況下，流速以小于10m/s為宜。所以，在進行流量計的設計或選擇之時，應同時考慮到測量精度與允許壓差這2個條件，當符合口徑與流量要求時，便可運用專門軟件對最大流量下的壓損與流速進行測量。②在安裝變送器時，可選擇一體式或分體式2種方式，前者主要用于常溫流體流量測量，后者則在高溫流體或超溫流體流量測量工作中應用比較廣泛。實際應用時應對測量流體的溫度進行考慮，以此為依據選擇適用的變送器安裝方式。由于文章研究的是汽車壓縮天然氣質量流量測量，屬于常溫流體測量，故變送器安裝方式選用一體式安裝。

考慮到以上內容，本系統在實驗室及現場進行了實驗，驅動系統能使汽車壓縮天然氣的流量管子快速起振并維持穩定振幅，信號處理與采集系統采集兩路傳感器信號并計算出時間差Delta T，效果較好。

5? 結論

基于DAC的半數字驅動方式，由于采用了非線性幅值控制算法，在振幅很小時能提供較大的增益，起振速度明顯快于模擬驅動，但在穩定后退出飽和過程需要時間，而且對于連續的兩相流響應效果較差。基于波形合成的全數字驅動方式的驅動電流不受傳感器信號幅值的影響，因此起振速度將快于DAC半數字驅動，而且對兩相流響應明顯加快。在全數字驅動調試中發現了一些影響測量的因素，在實驗中發現，空管無流量兩路傳感器信號相位差存在漂移及固有偏差的情況，后來發現存在電子零點與機械零點偏移，電子零點偏移主要是溫度對濾波電容影響，還有電阻選取的精度影響，通過選用NPO型號電容與0.1%精度電阻已經得到較大改善，另外機械零點偏移主要由傳感器線圈與磁鐵放置對稱性好壞決定。現場EMC干擾外接線纜也會影響傳感器信號相位差，最后對線纜作了外屏蔽內部單端接地處理消除了干擾。另外還發現同樣流速，相同密度下粘性大流體流過管子時傳感器信號相位差偏小，最后分析粘度大的流體減小管子所受的coriolis力的大小，所以減小管子相應形變位移，進而減小了傳感器信號相位差，以上這些問題將在后續工作中進一步解決與優化。

參考文獻：

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