科里奥利质量流量计变送器新型硬件设计

刘丽丽 刘同礼 曹亚卿 金小香

摘要：文章以DSP为基础，进行应用于汽车压缩天然气流量测量的科里奥利质量流量变送器的设计与研究，其硬件电路主要由左右通道信号采样电路、信号处理电路和驱动放大电路及温度检测补偿电路组成。新型采样电路可以减少电子零点误差，并通过音频编解码器内部ADC采集传输给DSP，进行相位差计算。

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.

关键词：科里奥利质量流量计;谐振频率;二阶阻尼系统

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

中图分类号：TH814                                      文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2020）21-0016-02

0  引言

压缩天然气是压缩天然气汽车的燃料，对于在用车而言，通过将定型汽油车改装，以对原车供油系统的保留为前提增加一套专用压缩天然气装置，便可形成压缩天然气汽车，燃料转换只需将开关拨动即可。加冲一次天然气，压缩天然气汽车能够行驶大约200公里，对于公共汽车、市内的士以及往返里程在200公里以内的中巴车等十分适用。汽车加气站的贸易结算工作对压缩天然气流量测量提出较高要求，目前应用于压缩天然气流量测量的流量计以气体腰轮流量计、气体涡轮流量器、旋进漩涡流量计等为主。科里奥利质量流量计（以下简称科氏流量计）可对流体质量进行直接的测量，准确性、重复性、稳定性比较高，流体通道内无阻流元件与可动部件，基于可靠性好与寿命长等优势在汽车用压缩天然气、能源、航天等部门的应用越来越广泛。文章基于工作原理就其变送器新型硬件的设计展开研究。

1  汽车压缩天然气流量计——科氏流量计变送器工作原理

应用于汽车压缩天然气流量测量的科氏流量计是一种直接测量质量流量的仪表，一次仪表sensor的流量管两端进口与出口安装两个传感器、中间放置驱动器、流量管铂金电阻温度计组成，少数高精度还有壳体温度计。流量管会以固有频率振动，当空管没有流体流过时，流量管不会因为科里奥利力而发生移位偏移，两路传感器线圈同时切割圆柱型三钴磁铁从而输出信号同相位，有流体流过时，两路信号即产生与质量流量成正比的相位差。二次仪表即变送器一方面为驱动器提供激振信号，传感器本身就是二阶阻尼谐振选频系统，采集两路传感器信号多抽一滤波、自适应格型陷波滤波、HILBERT互相关与自相关算法算出其相位差最后经过温度补偿得到高精度的质量流量。

科氏流量计变送器系统包括基于ADI公司ADSP-BF523的数字式浮点DSP、采样调理系统，数字闭环驱动系统，温度检测补偿系统，脉冲与4-20mA模拟输出系统，人机接口系统，驱动系统基于增益控制的半数字驱动控制系统，以及完全通过DSP内部的波形合成进行驱动控制全数字控制系统。

全部的科氏流量计都需要进行1个旋转体系的人为建立。此处以双“U”型测量管为例，采用电磁驱动方法令“U”型测量管的回弯位置进行周期性微小振动，这种微小振动类似于让“U”型测量管沿着一个固定的轴作周期性的时上时下的旋转，旋转方向呈现周期性变化趋势，大致类似于钟摆一样的运动。由于“U”型测量管的出入口位置是被固定的，这样就等同于建立了1个将“U”型测量管出入口段作为固定轴的旋转体系。当“U”型测量管向上振动，但是并没有流体流过之时，根据右手螺旋法则，四指指向旋转方向，此时，大拇指所指向的方向即外加驱动的圆频率ω。当有流体进入“U”型测量管时，在惯性的影响之下，流体会对“U”型测量管强加给它的垂直动量做出相应的反抗，此反抗表现为：在“U”型测量管的入口段，当测量管是向上振动时，流体会将测量管向下压，而在“U”型测量管的出口段，当测量管是向上振动时，流体又会将测量管向上推。在流体的这种反抗作用下，“U”型测量管会发生扭曲，此即科氏流量计的作用结果。

2  信号产生与采集系统

汽车压缩天然气质量流量与两路传感器的信号相位差成正比，或者说与两个信号的时间差成正比。最小的时间差可以精确到400ps，所以精确测量Delta T是质量流量测量的关键。这里要考虑很多因素如零点的偏移、温度补偿、压损补偿、管壁腐蚀影响、两相流问题。需要两路高精度的ADC对两路信号进行无相位差的同步采样，另外全数字的要DAC进行数字到模拟的转换输出驱动控制信号，选用ADC与DAC集成在一起的芯片可以既提高性能又可以降低成本。选用AKM公司的AK4556公司的音频解码芯片Codec，它包括两路单输入的24位ADC和两路差分输出的24位DAC，传感器输出信号经过高精度的低通滤波电路并放大，在经偏置电压1.5V，这样直接进入CODEC内部的ADC采样通道，这样可以尽最大可能减小电子零点的误差。1.5V的参考电压是由CODEC产生。CODEC所用的工作时钟是由12.288MHz有源温补晶振提供，CODEC的主频模式有48KHz、32KHz、44.1KHz，正常的它有不同三种工作模式即ADC与DAC同时工作，ADC单独工作，DAC单独工作。

采样调理电路采用高共模抑制性能仪表放大器，并尽量减小仪器所受的温度影响与offset的漂移。电路采用前级的共模滤波内部镜像电流源的转换模式，通过外部电阻可以调节增益的大小，最后通过一阶低通滤波输出给CODEC芯片。

3  驱动系统

科氏质量流量计必须要在系统固有的谐振频率点才能进行汽车压缩天然气正确的质量流量测量，快速起振同时保证振幅稳定是系统是否可靠的重要指标之一。当流体的介质发生变化时如流体的密度发生变化（如两相流、批料流）时，这时流量管谐振频点被打破必需快速的寻找到新的谐振频率点进行正确的测量。传统的驱动电路由模拟电路实现，缺点是起振慢，而且容易受到外界的干扰，电路较为复杂，尤其电子器件本身的公差范围造成测量精度限制。数字驱动电路的驱动要明显快于模拟的驱动，便于驱动增益的快速调节，电路结构相对简单，数字驱动的软件较为复杂需要微处理器参与计算、控制。所以文中对全数字驱动做了全面的介绍。

尽管基于DAC的半数字驱动方式可以在流量管起振的最初阶段提供较大的增益，但此时传感器输出信号很小，驱动信号需要持续一段时间，稳定后退出饱和需要一定时间。但基于波形合成的数字方式能根据增益、信号频率、相位等信息合成需要的波形，不受传感器信号幅值的限制，因此不仅能在起振初期就提供很大的驱动信号，加快起振，而且能在进入稳定后迅速切换到谐振驱动状态。全数字驱动方式的驱动信号由DSP内部合成，硬件电路简单，软件复杂。基于DSP内部波形合成的驱动方式，驱动信号由Codec内部DAC输出，该DAC为差分输出且偏置至1.5V，差分信号经放大、滤波，经Howland电流型功放电路驱动激振器。U1实现差分信号转单端信号的功能，U1及外围阻容器件构成差分低通滤波器。U1的OUT+与U2的OUT+幅值相等，相位差180，R5=2×R2，对DAC输出差分信号放大，然后U1同相输入端的直流分量为1.5V，而U1输出交流分量幅值减半。U2输出幅值为AOUT+，这时U1输出为0V对应差分信号的下面部分输出，在取样电阻上面有浮地交流信号，大小等于5*Idr。电路中选用了大电流200mA的单运放，另选用0.1%高精度、小温漂10-25ppm的电阻与NPO电容尽量提高驱动电路的稳定性能。另外在驱动电路里面加入两个25Ω作为功能安全限流需求，有些电路还在驱动输出端用双向钳位管作齐纳栅的保护处理。

4  汽车压缩天然气流量测量实验结果

实验之前有两点需要强调：①科氏质量流量计的测量精度需在适宜的流速下才能达到要求，如果管道比较大而测量的流量比较小，为保证流速与测量精度，需要对缩径的流量计加以选用，但是如果缩径太多，会大幅度增加流量计的前后压差，这有可能会大于工艺所要求的最大允许压差，显然无法满足工艺要求。此外，流速也并非越大越好，如果流速过大，压降也会过大，这会增加对流量计的冲刷能量，进一步对流量计的测量精度及使用寿命产生影响。在一般情况下，流速以小于10m/s為宜。所以，在进行流量计的设计或选择之时，应同时考虑到测量精度与允许压差这2个条件，当符合口径与流量要求时，便可运用专门软件对最大流量下的压损与流速进行测量。②在安装变送器时，可选择一体式或分体式2种方式，前者主要用于常温流体流量测量，后者则在高温流体或超温流体流量测量工作中应用比较广泛。实际应用时应对测量流体的温度进行考虑，以此为依据选择适用的变送器安装方式。由于文章研究的是汽车压缩天然气质量流量测量，属于常温流体测量，故变送器安装方式选用一体式安装。

考虑到以上内容，本系统在实验室及现场进行了实验，驱动系统能使汽车压缩天然气的流量管子快速起振并维持稳定振幅，信号处理与采集系统采集两路传感器信号并计算出时间差Delta T，效果较好。

5  结论

基于DAC的半数字驱动方式，由于采用了非线性幅值控制算法，在振幅很小时能提供较大的增益，起振速度明显快于模拟驱动，但在稳定后退出饱和过程需要时间，而且对于连续的两相流响应效果较差。基于波形合成的全数字驱动方式的驱动电流不受传感器信号幅值的影响，因此起振速度将快于DAC半数字驱动，而且对两相流响应明显加快。在全数字驱动调试中发现了一些影响测量的因素，在实验中发现，空管无流量两路传感器信号相位差存在漂移及固有偏差的情况，后来发现存在电子零点与机械零点偏移，电子零点偏移主要是温度对滤波电容影响，还有电阻选取的精度影响，通过选用NPO型号电容与0.1%精度电阻已经得到较大改善，另外机械零点偏移主要由传感器线圈与磁铁放置对称性好坏决定。现场EMC干扰外接线缆也会影响传感器信号相位差，最后对线缆作了外屏蔽内部单端接地处理消除了干扰。另外还发现同样流速，相同密度下粘性大流体流过管子时传感器信号相位差偏小，最后分析粘度大的流体减小管子所受的coriolis力的大小，所以减小管子相应形变位移，进而减小了传感器信号相位差，以上这些问题将在后续工作中进一步解决与优化。

参考文献：

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