科氏质量流量计数字闭环系统的设计与实现

　　1　引　　言

　　科氏质量流量计(CMF)是一种基于谐振原理和科氏效应(Coriolis effect)的直接质量流量传感器。CMF在测量精度和重复性方面具有独特优势,并兼具密度测量功能[1]。CMF产品的组成如图1所示。

　　为实现CMF的测量原理,敏感单元中的谐振子(测量管)必须维持稳定的谐振状态,这是通过敏感单元S与反馈控制单元F组成的闭环系统的自激振荡来实现的。CMF闭环系统一般结构如图2所示。

　　CMF的性能从根本上取决于敏感单元,但变送器也是影响其整体性能的重要因素。变送器技术正由传统的模拟式[2]向数字式[3-4]发展,数字闭环系统是其中的重要一环。文献[4]的数字闭环系统方案采用了基于DSP、Power PC及FPGA的高端硬件平台及复杂的时域和频域算法,达到了比较理想的性能。文中则提出并实现了一种基于低端硬件平台的新型数字闭环系的设计方案。该方案中系统的动态品质、稳态精度和抗干扰能力都得到了较大改善。

　　2　闭环系统原理与模型

　　2.1　闭环自激条件分析

　　CMF是用于测量的传感器,而不是一般的振荡器。为满足实际需求的测量精度和抗干扰、抗扰动能力,不仅要实现自激振荡,还必须保持稳定的幅度和适度的非线性。故设计中采用了比通常的φ<π/2和A≥1更为严格的闭环自激的相位和幅度条件:

　　其物理意义为:稳态自激时(不涉及动态过程),闭环回路应处于相移和非线性都足够小的状态。

　　敏感单元S为受质量流量Qm、介质密度ρ、介质阻尼ζ及环境温度T控制的非线性时变系统,只有当振幅足够小,且(Qm,ρ,ζ,T)相对稳定时,才可近似为线性时不变系统,并用传递函数GS(s)描述。反馈控制单元F也是复杂的非线性时变系统,尤其是数字式系统。因此,两者都难以建立准确的数学模型,其相移特性和增益特性都主要采用定性分析与实验相结合的方法获得。

　　反馈控制单元F的主要任务正是时刻保证系统状态满足式(1)、(2)的关系,从而维持稳定的弱非线性自激振荡。为此,反馈控制单元必须实时检测参数(φS,AS)并相应调整(φF,AF),使之满足:

　　对于通常的CMF敏感结构,AS主要由(ρ,ζ)决定,而(ρ,ζ)与介质属性、温度、两相流等因素关系密切,因而AS为不可预知的复杂变因;而φS则主要由激励和拾振原理决定,在通常条件下相对稳定。可见,维持闭环自激条件的关键在于控制AF,实现式(4),从而维持幅度条件(2)。

　　2.2　基于IAGC的闭环系统模型

　　前置放大环节负责输入信号放大。鉴于CMF拾振信号幅度相当大(100mV量级),该环节毋需复杂的信号处理措施,只需简单的线性放大器,加上必要的抗干扰滤波器。驱动电路负责功率放大和负载阻抗匹配,从信号角度,也是简单的线性放大器。相位控制环节负责控制φF,以实现式(3),从而维持相位条件式(1)。既然φS基本稳定,该环节采用固定移相器即可。可见,上述　　3个环节都是简单的线性时不变环节。