声阻尼式质量流量计的测控技术研究

　　近年来,除科里奥利质量流量计的研究成功与推广应用外,人们还在研究差压式、动量式、热式、振动阻尼式等质量流量测量新技术.文献[1,2]认为,热式和振动阻尼式技术将分别在气体和液体质量流量测量方面获得新的突破.文献[3]已提出基于流变介质声阻尼的质量流量测量新方法.实现该方法的关键在准确测量振动系统的状态,及时有效地控制其达到应有的程度.

　　1　实验系统及其模型

　　单自由度机械系统是进行质量流量测量必需的传感部分[3].为缩短实验研究周期,现将靶式体积流量计的机械部分,经一定改造后作为振动系统,经反馈线圈施加激振电流,产生激振力,使杠杆系统振动,带动靶在流体中振动.靶式体积流量计结构与力平衡式差压(压力)变送器结构相似.其机械部分经等效处理成为质量、弹簧、阻尼器系统,可用二阶线性微分方程描述,即ms(d2x/dt2)+ds(dx/dt)+ksx=F(t),式中,ms,ds,ks分别为等效质量、等效阻尼系数和等效刚度.等效计算方法参见文献[4].经拉氏变换可得振动系统的传递函数

　　式中ωn=(ks/ms)1/2为固有频率.由于ms受流体密度变化影响,ωn将产生微小变化,因此要使系统工作在谐振状态,需进行频率跟踪调节.若2ζks/ωn=ds,当用图1所示系统进行AGC控制、保持振动速度恒定时,等效阻尼系数ds对应于前向通道增益A,且与质量流量成正比.

　　2　测控技术

　　2.1　位移测量

　　靶式流量计的位移检测电路仅适于静态情况.现采用靶式流量计的差动变压器作位移传感器(副边增加一中间抽头),实现非接触拾振,对机械系统特性不产生影响.所设计振动位移测量电路如图2所示.集成运算放大器的输出驱动变压器,变压器原边电感和谐振电容构成LC选频网络,由副边引同相信号至放大器同相输入端形成正反馈,设置合适的放大倍数达到幅值条件,从而构成自激振荡器.同时,振荡器输出经整流滤波后控制场效应管变阻,形成负反馈,稳定振荡器输出幅值.机械系统的位移使得变压器衔铁产生位移,导致变压器的耦合系数M与变压器副边输出电压变化,在一定范围内,位移与副边输出电压之间有线性关系.此副边输出电压经阻抗变换、放大、滤波后成为位移测量有效信号,被送入数据采集电路.

　　2.2　数据采集

　　上述位移测量有效信号为直流信号叠加正弦波谐振信号.为了进行多参数据数采集,对该信号进行如下处理:经低通滤波,保留直流信号,用于位置测量;经隔直处理,取交流部分,用于振动测量;用直流信号作参考电压进行比较,得到与振动位移同频率同相位的方波信号,用与激振信号比较,确定振动位移相位.