劉麗麗 劉同禮 曹亞卿 金小香

摘要：文章以DSP為基礎(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)用于汽車壓縮天然氣流量測量的科里奧利質(zhì)量流量變送器的設(shè)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(qū)動放大電路及溫度檢測補(bǔ)償電路組成。新型采樣電路可以減少電子零點(diǎn)誤差，并通過音頻編解碼器內(nèi)部ADC采集傳輸給DSP，進(jìn)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(guān)鍵詞：科里奧利質(zhì)量流量計;諧振頻率;二階阻尼系統(tǒng)

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

中圖分類號：TH814? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)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(zhuǎn)換只需將開關(guān)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(nèi)的士以及往返里程在200公里以內(nèi)的中巴車等十分適用。汽車加氣站的貿(mào)易結(jié)算工作對壓縮天然氣流量測量提出較高要求，目前應(yīng)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(jìn)漩渦流量計等為主。科里奧利質(zhì)量流量計（以下簡稱科氏流量計）可對流體質(zhì)量進(jìn)行直接的測量，準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性比較高，流體通道內(nèi)無阻流元件與可動部件，基于可靠性好與壽命長等優(yōu)勢在汽車用壓縮天然氣、能源、航天等部門的應(yīng)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(shè)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(yīng)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(zhì)量流量的儀表，一次儀表sensor的流量管兩端進(jìn)口與出口安裝兩個傳感器、中間放置驅(qū)動器、流量管鉑金電阻溫度計組成，少數(shù)高精度還有殼體溫度計。流量管會以固有頻率振動，當(dāng)空管沒有流體流過時，流量管不會因?yàn)榭评飱W利力而發(fā)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(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的相位差。二次儀表即變送器一方面為驅(qū)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(tǒng)，采集兩路傳感器信號多抽一濾波、自適應(yīng)格型陷波濾波、HILBERT互相關(guān)與自相關(guān)算法算出其相位差最后經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)玫礁呔鹊馁|(zhì)量流量。

科氏流量計變送器系統(tǒng)包括基于ADI公司ADSP-BF523的數(shù)字式浮點(diǎn)DSP、采樣調(diào)理系統(tǒng)，數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)，溫度檢測補(bǔ)償系統(tǒng)，脈沖與4-20mA模擬輸出系統(tǒng)，人機(jī)接口系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)基于增益控制的半數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)，以及完全通過DSP內(nèi)部的波形合成進(jìn)行驅(qū)動控制全數(shù)字控制系統(tǒng)。

全部的科氏流量計都需要進(jìn)行1個旋轉(zhuǎn)體系的人為建立。此處以雙“U”型測量管為例，采用電磁驅(qū)動方法令“U”型測量管的回彎位置進(jìn)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(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向呈現(xiàn)周期性變化趨勢，大致類似于鐘擺一樣的運(yùn)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(zhuǎn)體系。當(dāng)“U”型測量管向上振動，但是并沒有流體流過之時，根據(jù)右手螺旋法則，四指指向旋轉(zhuǎn)方向，此時，大拇指所指向的方向即外加驅(qū)動的圓頻率ω。當(dāng)有流體進(jìn)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(qiáng)加給它的垂直動量做出相應(yīng)的反抗，此反抗表現(xiàn)為：在“U”型測量管的入口段，當(dāng)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(dāng)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(fā)生扭曲，此即科氏流量計的作用結(jié)果。

2? 信號產(chǎn)生與采集系統(tǒng)

汽車壓縮天然氣質(zhì)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(zhì)量流量測量的關(guān)鍵。這里要考慮很多因素如零點(diǎn)的偏移、溫度補(bǔ)償、壓損補(bǔ)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(jìn)行無相位差的同步采樣，另外全數(shù)字的要DAC進(jìn)行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)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(jīng)過高精度的低通濾波電路并放大，在經(jīng)偏置電壓1.5V，這樣直接進(jìn)入CODEC內(nèi)部的ADC采樣通道，這樣可以盡最大可能減小電子零點(diǎn)的誤差。1.5V的參考電壓是由CODEC產(chǎn)生。CODEC所用的工作時鐘是由12.288MHz有源溫補(bǔ)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(dú)工作，DAC單獨(dú)工作。

采樣調(diào)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(nèi)部鏡像電流源的轉(zhuǎn)換模式，通過外部電阻可以調(diào)節(jié)增益的大小，最后通過一階低通濾波輸出給CODEC芯片。

3? 驅(qū)動系統(tǒng)

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

盡管基于DAC的半數(shù)字驅(qū)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(qū)動信號需要持續(xù)一段時間，穩(wěn)定后退出飽和需要一定時間。但基于波形合成的數(shù)字方式能根據(jù)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(qū)動信號，加快起振，而且能在進(jìn)入穩(wěn)定后迅速切換到諧振驅(qū)動狀態(tài)。全數(shù)字驅(qū)動方式的驅(qū)動信號由DSP內(nèi)部合成，硬件電路簡單，軟件復(fù)雜。基于DSP內(nèi)部波形合成的驅(qū)動方式，驅(qū)動信號由Codec內(nèi)部DAC輸出，該DAC為差分輸出且偏置至1.5V，差分信號經(jīng)放大、濾波，經(jīng)Howland電流型功放電路驅(qū)動激振器。U1實(shí)現(xiàn)差分信號轉(zhuǎn)單端信號的功能，U1及外圍阻容器件構(gòu)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(yīng)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(yùn)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(qū)動電路的穩(wěn)定性能。另外在驅(qū)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(qū)動輸出端用雙向鉗位管作齊納柵的保護(hù)處理。

4? 汽車壓縮天然氣流量測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)之前有兩點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)：①科氏質(zhì)量流量計的測量精度需在適宜的流速下才能達(dá)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(jìn)一步對流量計的測量精度及使用壽命產(chǎn)生影響。在一般情況下，流速以小于10m/s為宜。所以，在進(jìn)行流量計的設(shè)計或選擇之時，應(yīng)同時考慮到測量精度與允許壓差這2個條件，當(dāng)符合口徑與流量要求時，便可運(yùn)用專門軟件對最大流量下的壓損與流速進(jìn)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(yīng)用比較廣泛。實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)對測量流體的溫度進(jìn)行考慮，以此為依據(jù)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(zhì)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(nèi)容，本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動系統(tǒng)能使汽車壓縮天然氣的流量管子快速起振并維持穩(wěn)定振幅，信號處理與采集系統(tǒng)采集兩路傳感器信號并計算出時間差Delta T，效果較好。

5? 結(jié)論

基于DAC的半數(shù)字驅(qū)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(qū)動，但在穩(wěn)定后退出飽和過程需要時間，而且對于連續(xù)的兩相流響應(yīng)效果較差?；诓ㄐ魏铣傻娜珨?shù)字驅(qū)動方式的驅(qū)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(shù)字驅(qū)動，而且對兩相流響應(yīng)明顯加快。在全數(shù)字驅(qū)動調(diào)試中發(fā)現(xiàn)了一些影響測量的因素，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)存在電子零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)偏移，電子零點(diǎn)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(jīng)得到較大改善，另外機(jī)械零點(diǎn)偏移主要由傳感器線圈與磁鐵放置對稱性好壞決定?，F(xiàn)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(nèi)部單端接地處理消除了干擾。另外還發(fā)現(xiàn)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(yīng)形變位移，進(jìn)而減小了傳感器信號相位差，以上這些問題將在后續(xù)工作中進(jìn)一步解決與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]MANUS H， MICHAEL T， et al. Two-Phase flow metering of heavy oil using a Coriolis mass flow meter： A case study [J]. Flow Measurement and Instrumention，2006，（17）：399-413.

[2]李祥剛，徐科軍，朱永強(qiáng).非線性幅值控制算法中2種PI控制器的比較[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，32（11）：1665-1668.

[3]陶波波，侯其立，石巖，任東順，徐科軍.科氏質(zhì)量流量計測量含氣液體流量的方法與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報，2014（8）：1796-1802.