谐振式科里奥利质量流量计检测电路实现

　　【摘要】基于谐振式科里奥利质量流量计的测量原理，提供了该流量计的数学模型。给出了检测质量流量的信号解算模型。设计了一种信号解算电路并研制了相应的样机。实测结果表明所研制的信号检测电路的测量精度优于千分之一，具有一定的实用价值，为样机研制提供了具有一定参考意义的理论和实验研究结果。
　　关键词：质量流量计，谐振式传感器，科氏效应，检测电路

　　在工业生产过程中，流量是需经常测量和控制的参数之一。随着科学技术的发展，人们对于流量检测精度的要求越来越高。同时，由于需要检测的流体种类也越来越多，因此研制出了应用不同原理和应用于不同领域的流量仪表。流量的表示有体积流量和质量流量两种。目前广泛应用的流量计，如涡轮流量计、差压式流量计、转子流量计、超声波流量计及电磁流量计等，均为测量介质的体积流量的流量计。而质量流量计则用于测量介质的质量流量。其中基于科里奥利的谐振式直接质量流量计就是先进的一种^［1～3］。

1　谐振式科里奥利质量流量计的信号检测模型
　　图1给出了以典型的U型管为敏感元件的谐振式直接质量流量计的结构及其工作示意图。激励单元E使一对平行的U型管作一阶弯曲主振动，建立传感器的工作点。当管内流过质量流量时，由于科氏效应的作用，使U型管产生关于中心对称轴的一阶扭转“副振动”。该一阶扭转“副振动”相当于U型管自身的二阶弯曲振动。同时，该“副振动”直接与所流过的“质量流量（kg/s）”成比例。因此，通过B、B’测量元件检测U型管的“合成振动”就可以直接得到流体的质量流量^［2～3］。

图1　U型管质量流量检测示意图

　　当管中无流体流动时，谐振子在激励器的激励下，产生绕AA'轴的弯曲主振动，B、B’测量到的主振动是一样的，可写为：

(1)

式中，ω为系统的主振动频率，它由包括弹性弯管、弹性支承在内的谐振子整体结构决定；X_B为检测信号的幅值。
　　当流体以速度在管中流动时，则在弹性弯管的ABD段和A'B'D段(D点为U型管的中点)，所受到的科氏力大小相等，方向相反，形成一个力矩。该力矩使弹性弯管谐振子产生一个绕DD'轴的扭转运动(D'点为AA'轴的中点)，相对于谐振子的主振动而言，称为“副振动”。于是，在B、B’测量到的副振动可写为^［3］：

(2)

式中，Y_B是单位质量流量和单位谐振频率引起的副振动幅值;φ为副振动响应与主振动相位延迟。
　　根据上述分析，当有流体流过管子时，谐振子的B和B'处的振动方程可以分别写为：
　　B点处：

(3)

　　B'点处：

(4)

由（3）式和（4）式得：

(5)

(6)

设R_a为T_B-T_B'和T_B+T_B'的幅值比，则：

(7)

式（7）就是基于B、B'两点信号“差”与“和”的幅值比R_a直接解算Q_m的基本方程。

2　信号检测电路
　　基于以上理论分析，谐振式直接质量流量计输出信号检测的关键是对两路同频率周期信号的幅值比的测量。图2给出了设计的原理电路。其中u_i1和u_i2是质量流量计输出的两路信号。单片机通过对两路信号的幅值检测计算出幅值比，进而求出流体的质量流量。

图2　信号检测系统总体设计图

　　图3给出了周期信号幅值检测的原理电路。利用二极管的正向导通、反向截止的特性对交流信号进行整流，利用电容的保持特性获取信号幅值。

图3　周期信号幅值检测电路

　　对图2给出的电路，两路幅值检测部件的对称性越好，系统的精度就越高。但是由于器件的原因可能会产生不对称，所以在幅值测量及幅值比测量过程中，按以下步骤进行：
　　① 用幅值检测1检测输入信号u_i1的幅值，计为A₁₁，用幅值检测2检测输入信号u_i2的幅值，计为A₂₁。
　　② 用幅值检测2检测输入信号u_i1的幅值，计为A₁₂，用幅值检测1检测输入信号u_i2的幅值，计为A₂₂。
　　③　B₁=A₁₁+A₁₂ ,B₂=A₂₁+A₂₂, 用C=B₁/B₂作为输入信号的幅值比。
　　这样就抵消了部分因器件的原因引起的误差，这是靠牺牲时间来换取精度的。
　　此外，根据前面的分析：传感器输出的两路正弦信号，其中一路是基准参考信号，在整个工作过程中会有微小的漂移，不会有大幅度的变化；另一路的输出和质量流量存在着函数关系，所以利用这两路信号的比值解算也可以消除某些环境因素引起的误差，如电源波动等。同时，对幅值比的检测具有较好的实时性和连续性，这是用幅值比检测方案的优点。
　　图2中的单片机系统采用Intel 8052单片机，显示器采用64×128点阵的液晶显示器，串行口采用RS232接口，可方便地与微机进行连接；程序存储器采用27C256（32K），A/D转换采用Burr-Brown公司的ADS7805（16位，转换速率50　kHz ）。软件系统采用Franklin C51进行编程，采用中断方式对幅值进行检测，用数字滤波的方法对测得的幅值信号进行处理。由于流量属于缓变信号，所以采用该方法是可行的。
　　按上述原理电路，研制了相应的实际子系统。取两路正弦信号为模拟输入，实测结果表明：所研制的系统对幅值比检测的精度优于千分之一。

3　结束语
　　针对典型的U型管敏感结构，本文简述了谐振式直接质量流量计的工作机理。给出了基于幅值比检测的质量流量计的输出信号解算模型。提供了信号解算的一种实际电路，并研制了相应的样机，实测结果表明所研制信号检测子系统的精度优于千分之一，有望用于实际样机研制中。

参考文献
　1　朱德祥.流量仪表原理和应用.华东化工学院出版社，1992
　2　樊尚春.用于直接质量流量测量的U型管的频率特性.测控技术，1999,18(3):27～29
　3　刘广玉，樊尚春等.新型传感器技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社，1995