CN104040301B - 一种科里奥利流量计数字驱动方法及系统 - Google Patents

一种科里奥利流量计数字驱动方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种科里奥利流量计数字驱动方法，其包括以下步骤：1）系统初始化流程；2）获取两路反馈线圈的实时初始频率；3）根据实时初始频率判断驱动信号的频率是否需要更新；若是，则进行步骤4）；若否，则直接采用实时初始频率作为驱动信号的频率；4）对驱动信号频率的更新；5）根据更新后的驱动信号频率对流量进行补偿。还提供了一种科里奥利流量计数字驱动系统。该科里奥利流量计数字驱动方法及其系统能够确保振动管始终处于谐振状态和保持稳定的振动频率、可有效监控流量管振动状态，并可提高启动速度。

Description

一种科里奥利流量计数字驱动方法及系统
技术领域
本发明涉及一种科里奥利流量计数字驱动方法及其系统。
背景技术
传统的科里奥利质量流量计的驱动装置如图1所示，包括由振动管、驱动线圈、检测线圈、功率放大单元构成的振动系统，由于驱动线圈的驱动力来源于电流，因此功率放大单元为电压电流转换。振动管内无液体流动时，振动系统总的传递函数为：
式中：E（s）为检测线圈输出电压，U（s）为功率放大器的输入电压，ξ为U形管阻尼率，ωn为U形管的无阻尼固有频率，kall为放大系数。当kall=1；ξ=0.0005；
ωn=2*pi*85rad/s=534.0708rad/s系统的波特图如图2所示：
由波特图可知，当振动系统处于谐振状态时，功放的输入电压U(s)，与检测线圈输出电压E(s)相移为零，而且在谐振点附近相移对频率的变化非常敏感。
该驱动过程是当流速均匀时对频率的跟踪最快，也较稳定，但是它也存在以下问题：
1、振动系统的振动的必要条件是必须满足360°的相位条件。由于信号调理单元、信号放大单元、以及管内液体流动都会出现相移，因此，振动系统为了相位条件必须偏离谐振点振荡，这就会导致一下几种后果：
1.1）驱动电路功耗大；
1.2）振动系统零点大；
1.3）无法检测振动系统的固有频率；
1.4）流体流速不均匀导致反馈线圈相位波动，从而使振动频率波动，频率的稳定是流量计解算精度的重要保证，这样势必会影响流量计的精度。
2、当振动管处于异常状态时，例如气液两相流或者瞬间强冲击时，测量管的固有频率不是一个恒定值，拾振线圈反馈信号频率变的很不稳定，从而降低传感器精度。
3、驱动信号受限于反馈信号，无法为流量管振动提供所需频率的驱动信号。例如对内部液体刚度和粘度的测量，以及流量管的初始化。
4、驱动系统的可控性差。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够确保振动管始终处于谐振状态、能够保持稳定的振动频率、可有效监控流量管振动状态以及可提高启动速度的科里奥利流量计数字驱动方法及其系统。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种科里奥利流量计数字驱动方法，其特殊之处在于：所述科里奥利流量计数字驱动方法包括以下步骤：
1）系统初始化流程；
2）获取两路反馈线圈的实时初始频率；
3）根据实时初始频率判断驱动信号的频率是否需要更新；若是，则进行步骤4）；若否，则直接采用实时初始频率作为驱动信号的频率；
4）对驱动信号频率的更新；
5）根据更新后的驱动信号频率对流量进行补偿。
上述步骤1）的具体实现方式是：
1.1）系统进行上电；
1.2）上电延时1s后，得到两路反馈线圈的幅值；
1.3）判断两路反馈线圈幅值是否达到给定值的一半或设定值；若是，则进行步骤1.4）；若否，则重复步骤1.2）至步骤1.3）；
1.4）使振动管处于自由振荡状态并计算反馈信号频率，将计算得到的反馈信号频率作为初始频率发送至波形合成模块。
上述步骤2）的具体实现方式是：
波形合成模块接收初始频率后监测两路反馈线圈的反馈信号，判断两路反馈线圈的反馈信号是否递增过零点；若是，使驱动信号和两路反馈信号同相位，同时发送频率为实时初始频率，所述实时初始频率是幅值恒定的正弦波；若否，则继续等待反馈信号并进行反馈信号的判断。
上述步骤4）的具体实现方式是：
4.1）将两路反馈信号相加，得到两路反馈信号的相加后的波形；
4.2）将两路反馈信号的相加后的波形和驱动信号进行相位差计算，所述相位差定义为
4.3）判断振动管是否处于谐振状态，若是，则进行步骤5）；若否，根据相位差的大小调整驱动信号的频率，使振动管处于谐振状态。
上述步骤5）的具体实现方式是：
5.1）根据谐振状态时相位差的波动幅值或驱动信号的幅值大小来判断振动是否处于非正常状态；若处于非正常状态，则进行步骤5.2）；若处于正常状态，则进行不进行流量补偿；
5.2）保持当前驱动频率不变，并将步骤4.2）所得到的相位差进行积分，判断驱动频率偏离谐振频率的程度，使用积分值补偿流量，清空积分值。
一种科里奥利流量计数字驱动系统，其特殊之处在于：所述驱动系统包括振动系统、A/D转换器、D/A转换器以及信号采集及处理单元；所述振动系统通过A/D转换器接入信号采集及处理单元；所述信号采集及处理单元通过D/A转换器接入振动系统。
上述振动系统包括振动管、驱动线圈、检测线圈以及功率放大电路；所述检测线圈分别通过两路接入A/D转换器；所述D/A转换器通过功率放大电路接入驱动线圈；所述驱动线圈触发振动管振动；所述驱动线圈与检测线圈相连并检测线圈反馈信号。
上述信号采集及处理单元包括相位差检测单元、信号调理和幅值计算单元、频率更新单元、正弦信号生成单元、切换开关、自动增益控制单元、幅值设定输入端以及乘法运算单元；所述A/D转换器接入相位差检测单元；所述相位差检测单元分别接入频率更新单元以及正弦信号生成单元；所述正弦信号生成单元通过切换开关接入乘法运算单元；所述A/D转换器通过信号调理和幅值计算单元接入自动增益控制单元；所述A/D转换器通过切换开关接入乘法运算单元；所述幅值设定输入端接入自动增益控制单元；所述自动增益控制单元通过乘法运算单元接入D/A转换器。
上述信号采集及处理单元是由计算机软件实现其功能的。
本发明的优点是：
本发明提供了一种科里奥利流量计数字驱动方法，该方法通过系统初始化流程、获取两路反馈线圈的实时初始频率、根据实时初始频率判断驱动信号的频率是否需要更新、对驱动信号频率的更新以及根据更新后的驱动信号频率对流量进行补偿等步骤解决了现有技术中驱动系统的可控性差、无法为流量管振动提供所需频率的驱动信号以及传感器精度低等技术问题。
本发明的第一个好处是可以使振动管始终处于谐振状态；即使流体流速不均匀，也能够保持振动频率稳定；依据步骤4）对驱动频率进行更新，使振动管始终处于谐振状态。第二个好处是能有效监控流量管振动状态，根据不同的状态可以采取不同的驱动策略；依据步骤3进行驱动方法的切换（1）正常状态向异常状态切换，即直接驱动方法向波形合成驱动方法之间的切换；（2）异常状态向正常切换。第三可以有效控制启动过程，提高启动速度，防止长时间过载。通过两路检测线圈的幅值，及时判断振动管状态，及时更新频率，改变驱动方式。第四，可以提供各种所需的驱动波形，为刚度，粘度，等参数的测量奠定了基础，可以人为设定频率驱动，根据驱动功率分析以上测量参数。
附图说明
图1是现有技术中科里奥利流量计驱动装置的原理示意框图；
图2是基于现有技术中科里奥利流量计驱动装置的波特图；
图3是本发明所提供的科里奥利流量计数字驱动系统的原理框图。
具体实施方式
本发明提供了一种科里奥利流量计数字驱动方法，该科里奥利流量计数字驱动方法包括以下步骤：
1）系统初始化流程：
1.1）系统进行上电；
1.2）上电延时1s后，得到两路反馈线圈的幅值；
1.3）判断两路反馈线圈幅值是否达到给定值的一半或设定值；若是，则进行步骤1.4）；若否，则重复步骤1.2）至步骤1.3）；反馈线圈就是检测线圈，给定值是根据所采用的算法决定的；
1.4）使振动管处于自由振荡状态并计算反馈信号频率，将计算得到的反馈信号频率作为初始频率发送至波形合成模块。
2）获取两路反馈线圈的实时初始频率：
波形合成模块接收初始频率后监测两路反馈线圈的反馈信号，判断两路反馈线圈的反馈信号是否递增过零点；若是，使驱动信号和两路反馈信号同相位，同时发送频率为实时初始频率，所述实时初始频率是幅值恒定的正弦波；若否，则继续等待反馈信号并进行反馈信号的判断。
3）根据实时初始频率判断驱动信号的频率是否需要更新；若是，则进行步骤4）；若否，则直接采用实时初始频率作为驱动信号的频率；
4）对驱动信号频率的更新：
4.1）将两路反馈信号相加，得到两路反馈信号的相加后的波形；
4.2）将两路反馈信号的相加后的波形和驱动信号进行相位差计算，所述相位差定义为
4.3）判断振动管是否处于谐振状态，若是，则进行步骤5）；若否，根据相位差的大小调整驱动信号的频率，使振动管处于谐振状态。
5）根据更新后的驱动信号频率对流量进行补偿：
5.1）根据谐振状态时相位差的波动幅值或驱动信号的幅值大小来判断振动是否处于非正常状态；若处于非正常状态，则进行步骤5.2）；若处于正常状态，则进行不进行流量补偿；
5.2）保持当前驱动频率不变，并将步骤4.2）所得到的相位差进行积分，判断驱动频率偏离谐振频率的程度，使用积分值补偿流量，清空积分值。
参见图3，本发明在提供驱动方法的同时还提供了一种基于该方法所衍生的科里奥利流量计数字驱动系统，该驱动系统包括振动系统、A/D转换器、D/A转换器以及信号采集及处理单元；振动系统通过A/D转换器接入信号采集及处理单元；信号采集及处理单元通过D/A转换器接入振动系统。
振动系统包括振动管、驱动线圈、检测线圈以及功率放大电路；检测线圈分别通过两路接入A/D转换器；D/A转换器通过功率放大电路接入驱动线圈；驱动线圈触发振动管振动；驱动线圈与检测线圈相连并给检测线圈反馈信号。
信号采集及处理单元包括相位差检测单元、信号调理和幅值计算单元、频率更新单元、正弦信号生成单元、切换开关、自动增益控制单元、幅值设定输入端以及乘法运算单元；A/D转换器接入相位差检测单元；相位差检测单元分别接入频率更新单元以及正弦信号生成单元；正弦信号生成单元通过切换开关接入乘法运算单元；A/D转换器通过信号调理和幅值计算单元接入自动增益控制单元；A/D转换器通过切换开关接入乘法运算单元；幅值设定输入端接入自动增益控制单元；自动增益控制单元通过乘法运算单元接入D/A转换器。
信号采集指的是对自然界感知的模拟信号通过模数转换器（A/D）进行采样，并采用相关算法进行数字处理。
信号采集及处理单元是由计算机软件实现其功能的。
结合图3，对于本发明所提供的驱动方法进行详细阐述：
步骤1：上电延时1s后，切换开关闭合为1，与传统方式启动，当反馈幅值达到给定幅值的一半或预设幅值时，断开切换开关1，2，使振动管处于自由振荡状态，计算反馈信号的频率。
步骤2：频率计算完成后，闭合切换开关2，将频率值发送给波形合成模块，同时相位计算模块监测反馈信号，当反馈信号过零点时，使能波形合成模块，使驱动信号和反馈信号同相位，同时发送频率为初始频率，幅值恒定的正弦波。
步骤3：相位检测模块将A、B两路反馈信号相加，消除由于科里奥利力带来的相移，将两路信号的相加后的波形和驱动信号进行相位差计算，相位差定义为
步骤4：频率计算模块根据相位差来判断振动管是否处于谐振状态，如果非谐振，就根据相位差的大小，调整驱动信号频率，使振动管处于谐振状态。
步骤5：根据相位差的波动幅值或驱动信号的幅值大小来判断振动是否处于非正常状态，例如两相流。
步骤6：当振动管处于两相流时，保持驱动频率不变，将相位差积分，根据相位差积分和来判断驱动频率偏离谐振频率的程度，根据这个值的大小来进行流量补偿。

Claims (6)

1.一种科里奥利流量计数字驱动方法，其特征在于：所述科里奥利流量计数字驱动方法包括以下步骤：
1)系统初始化流程；
1.1)系统进行上电；
1.2)上电延时1s后，得到两路反馈线圈的幅值；
1.3)判断两路反馈线圈幅值是否达到给定值的一半或设定值；若是，则进行步骤1.4)；若否，则重复步骤1.2)至步骤1.3)；
1.4)使振动管处于自由振荡状态并计算反馈信号频率，将计算得到的反馈信号频率作为初始频率发送至波形合成模块；
2)获取两路反馈线圈的实时初始频率；
3)根据实时初始频率判断驱动信号的频率是否需要更新；若是，则进行步骤4)；若否，则直接采用实时初始频率作为驱动信号的频率；
4)对驱动信号频率的更新；
4.1)将两路反馈信号相加，得到两路反馈信号的相加后的波形；
4.2)将两路反馈信号的相加后的波形和驱动信号进行相位差计算，所述相位差定义为
4.3)判断振动管是否处于谐振状态，若是，则进行步骤5)；若否，根据相位差的大小调整驱动信号的频率，使振动管处于谐振状态；
5)根据更新后的驱动信号频率对流量进行补偿；
5.1)根据谐振状态时相位差的波动幅值或驱动信号的幅值大小来判断振动是否处于非正常状态；若处于非正常状态，则进行步骤5.2)；若处于正常状态，则不进行流量补偿；
5.2)保持当前驱动频率不变，并将步骤4.2)所得到的相位差进行积分，判断驱动频率偏离谐振频率的程度，使用积分值补偿流量，清空积分值。
2.根据权利要求1所述的科里奥利流量计数字驱动方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：
波形合成模块接收初始频率后监测两路反馈线圈的反馈信号，判断两路反 馈线圈的反馈信号是否递增过零点；若是，使驱动信号和两路反馈信号同相位，同时发送频率为实时更新频率，所述实时更新频率是幅值恒定的正弦波；若否，则继续等待反馈信号并进行反馈信号的判断。
3.一种用于实现权利要求1-2任一所述的科里奥利流量计数字驱动方法的驱动系统，其特征在于：所述驱动系统包括振动系统、A/D转换器、D/A转换器以及信号采集及处理单元；所述振动系统通过A/D转换器接入信号采集及处理单元；所述信号采集及处理单元通过D/A转换器接入振动系统。
4.根据权利要求3所述的驱动系统，其特征在于：所述振动系统包括振动管、驱动线圈、检测线圈以及功率放大电路；所述检测线圈分别通过两路接入A/D转换器；所述D/A转换器通过功率放大电路接入驱动线圈；所述驱动线圈触发振动管振动；所述驱动线圈与检测线圈相连并检测线圈反馈信号。
5.根据权利要求3或4所述的驱动系统，其特征在于：所述信号采集及处理单元包括相位差检测单元、信号调理和幅值计算单元、频率更新单元、正弦信号生成单元、切换开关、自动增益控制单元、幅值设定输入端以及乘法运算单元；所述A/D转换器接入相位差检测单元；所述相位差检测单元分别接入频率更新单元以及正弦信号生成单元；所述正弦信号生成单元通过切换开关接入乘法运算单元；所述A/D转换器通过信号调理和幅值计算单元接入自动增益控制单元；所述A/D转换器通过切换开关接入乘法运算单元；所述幅值设定输入端接入自动增益控制单元；所述自动增益控制单元通过乘法运算单元接入D/A转换器。
6.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于：所述信号采集及处理单元是由计算机软件实现其功能的。
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