CN104501890B - 一种变传感器信号设定值的科氏质量流量管的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变传感器信号设定值的科氏质量流量管的控制方法。本发明以DSP为核心，基于DDS和MDAC，采用变传感器信号设定值的控制方法，实现传感器信号幅值的自动跟踪，使流量管在两相流发生时维持平稳的振动。本发明的优点是：在满足工业防爆要求的前提下，传感器信号设定值根据流量管阻尼比变化进行灵活有效的调节，使驱动增益退饱和，维持流量管在较稳定和较高水平的振动，获得较平稳且幅值波动小的传感器信号，减小了两相流测量过程中信号的波动性。

Description

一种变传感器信号设定值的科氏质量流量管的控制方法

技术领域

本发明属于流量检测领域，具体涉及针对气液两相流测量时，流量管阻尼比变化剧烈情况的科氏质量流量管的控制方法。

背景技术

科氏质量流量计用于流体质量流量的直接测量，测量精度高，重复性好，而且还能同时实现流体的体积流量、密度、温度等多参数和不同流体状况下的测量，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计的准确测量是建立在流量管稳幅振动的前提下，科氏质量流量计在出厂检测时，需要做单相水流量标定实验，以确定流量管的最佳稳定振动幅值。流量管在最佳幅值下振动，具有最佳的测量性能和最高的驱动效率，并且有利于延长其使用寿命。实际工作中，通过检测拾振线圈输出的传感器信号幅值大小来表征流量管振动的强弱，当传感器输出信号达到最佳幅值时，流量管则以最佳稳定幅值振动。在单相流下，流量管的阻尼比很小，较低的驱动能量就可以维持流量管在最佳幅值下振动。但当气液两相流发生时，由于流量管的阻尼比变化剧烈，通常要比单相流时高出2个数量级，如果想维持流量管在单相流下的最佳振动幅值，必须提高驱动能量，在宏观上表现为提高驱动电压的幅值。而在实际工业现场，由于本安防爆的要求，驱动电路后级必须加上安全栅电路，对驱动的电压和电流进行限制。在安全栅能量限制的前提下，当两相流发生时，流量管振动的幅值就难以维持在单相流下最佳振动幅值的水平。此时，若要维持流量管的平稳振动，需要降低流量管的振动幅值。所以，在气液两相流下，流量管最佳振动的准则是：流量管应当尽量维持在相对恒定的幅值下振动，以减小频率和相位测量时的波动。当然，希望流量管振动的幅值维持在较高的水平，以便保证传感器输出信号有较好的信噪比，便于信号的测量与处理。可见，在流量管阻尼比波动剧烈且驱动能量有限的情况下，如何使得流量管维持在较稳定和较高水平的振动，即传感器输出信号维持在较稳定和较高水平的幅值是两相流测量中亟待解决的问题。

针对两相流下科氏质量流量管振动幅值控制的问题，国外学者分析了影响振动幅值大小和稳定性的因素并进行了实验。Henry和Yeung等人认为传感器的几何形状、流量管驱动器的数量等因素影响振动幅值的大小（Henry M, Yeung H, Mattar W, et al. How aCoriolis mass flow meter can operate in two-phase (gas/liquid) flow[C]. ISA2004 Expo Technical Conference, 2004:17-30）。他们采用B形双驱动器结构的传感器，双驱动器在没有超过安全栅能量限制的同时，使驱动能量加倍，因此流量管获得了较高幅值的振动；通过检测驱动电流是否超过限制电流作为判断条件，并利用相应的控制算法调整幅值的设定点，利用FPGA做驱动，并通过DAC一点一点输出驱动信号进行幅值控制，获得较平稳的传感器信号，但幅值控制方法和调整的细节并未详细披露。

合肥工业大学针对气液两相流测量时，流量管容易停振的问题，研制了基于DSP的科氏质量流量变送器和数字驱动方法（徐科军，侯其立等，一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统，发明专利，专利号：ZL 201110331814.X）。采用基于拉格朗日的过零检测算法和非线性幅值控制方法等实现频率、相位和幅值的跟踪，基于DDS和MDAC合成数字驱动信号，避免了流量管的停振，为两相流测量的实现提供了前提。但在两相流测量时，流量管幅值控制方法仍然采用单相流测量时的固定传感器信号设定值的控制方法，将传感器信号设定值始终固定为单相流下传感器信号最佳幅值，由于稳态时传感器信号设定值与传感器信号幅值之间始终存在误差，导致积分限幅的PI控制器积分因子饱和以及驱动系统输出驱动增益饱和，结果使传感器信号幅值随着流量管阻尼比变化波动范围大，数字驱动系统失去了流量管幅值控制的作用。为了使流量管在两相流下获得最佳振动，必须提出满足两相流下的流量管幅值控制方法，解决传感器输出信号不平稳，波动大的问题。

发明内容

为了克服上述流量管幅值控制和驱动输出面临的问题，在数字驱动方法的基础上，本发明提供一种变传感器信号设定值的科氏质量流量管的控制方法。即传感器信号设定值跟随传感器信号幅值而变化，并在驱动增益没有饱和的情况下，进行合理的调节，使驱动系统能够对流量管阻尼比变化做出反应，更好地对流量管振动幅值进行控制。

变传感器信号设定值的科氏质量流量管的具体控制操作步骤如下：

（1）初始化

数字信号处理器（DSP）首先完成系统各个模块、外设以及算法变量的初始化；

（2）同步开启两路AD转换

采集到位于流量管两侧对称的两个拾振线圈输出的传感器信号，经过两路电路参数一致的信号调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的第一模数转化器（ADC1）和第二模数转化器（ADC2）采样转换为数字量，通过数字信号处理器的多通道缓冲串口（McBSP）送入至数字信号处理器（DSP）；数字信号处理器（DSP）对采样数据先进行数字滤波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算传感器信号的频率、相位参数，并以此获得驱动信号的频率、相位信息，通过数字接口写入到直接数字频率合成器（DDS）中；直接数字频率合成器（DDS）输出期望频率和相位的正弦信号，并接入乘法数模转化器（MDAC）的模拟输入端；

（3）流量管启振

数字信号处理器（DSP）计算传感器信号幅值，并与传感器信号设定值比较，结合非线性幅值控制算法和变传感器信号设定值的控制方法，计算得到数字驱动增益，通过数字接口将数字驱动增益写入乘法数模转化器（MDAC）的数字输入端；乘法数模转化器（MDAC）将模拟输入端和数字输入端信号相乘，经过功率放大后，输出驱动信号，驱动流量管启振；

（4）采集100点数据调用算法驱动控制

在流量管启振完成时，数字信号处理器（DSP）每采集到100点新的数据，即开始调用算法，进行一次驱动控制；

（5）流量和密度计算以及温度补偿

同时，数字信号处理器（DSP）根据传感器信号的频率和相位等参数，计算流体的质量流量、密度；恒流源电路经过Pt100，输出电压经过调理后，由第三模数转换器（ADC3）采样数字化送入数字信号处理器（DSP），进行温度补偿；

（6）测量结果输出

流量和密度的测量结果通过液晶显示，并通过SCI、4~20mA电流环、脉冲输出电路、串口通信将测量结果输出，并将结果用于两相流下的建模与校正。

上述步骤（2）中，经过第一模数转换器（ADC1）和第二模数转换器（ADC2）采样与转换的数据，通过数字信号处理器（DSP）的GPIO口产生中断；中断服务程序将ADC转换结果传送至数字信号处理器（DSP）的多通道缓冲串口（McBSP）的接收寄存器，通过直接存储器存取（DMA）模块，再将数据传送至用户定义的随机存取存储器（RAM）空间临时数组中；当临时数组存放满时，产生DMA中断，中断服务程序中，将临时数组的数据存放至用户定义的外扩随机存储器（SARAM）循环数组中，用于算法调取数据；每当产生100点新数据，即调用算法模块对数据进行处理。

上述步骤（4）中，所述驱动控制是将从循环数组中调取100点数据，进行算法处理；两路采样数据经过数字滤波消除噪声干扰后，数字信号处理器（DSP）调用基于拉格朗日插值的过零检测算法，计算传感器信号的频率、相位信息；通过连续比较三点采样数据的大小，得到传感器信号的幅值参数；在得到传感器信号幅值后，数字信号处理器（DSP）调用变传感器信号设定值的控制方法，跟踪传感器信号变化，并结合非线性幅值控制方法计算驱动增益，通过判断驱动增益是否饱和自动调整传感器信号设定值；如果驱动增益饱和，则降低传感器信号设定值，使驱动增益退饱和；如果驱动增益没有饱和且小于设定的阈值范围，并且传感器信号幅值没有达到单相流下最佳幅值，则抬升传感器信号设定值，使驱动系统输出较大的驱动增益；否则，维持当前的传感器信号设定值不变。

所述变传感器信号设定值的控制方法：当传感器输出信号并未达到最佳幅值时，需要对传感器信号设定值进行抬升，以获得较高的传感器信号幅值；在抬升传感器信号设定值的过程中，首先判断设定值抬升的幅度，如果抬升的范围过小，则维持传感器信号设定值不变，以减小抬升过程中小的抖动；如果抬升值大于单相流下传感器信号最佳幅值，则将传感器信号设定值设置为单相流下传感器信号最佳幅值；否则，传感器信号设定值设置为抬升值；在降低传感器信号设定值的过程中，通过迭代的方式使设定值跟踪传感器信号的变化。

数字信号处理器（DSP）更新完传感器信号设定值后，开始更新驱动信号参数；驱动信号的频率即是传感器信号的频率；驱动信号的相位与传感器信号维持特定的关系（如YNDN25型传感器，驱动信号与传感器信号维持0°的相角关系）；驱动信号的幅值控制增益由传感器信号幅值与传感器信号设定值之间的误差计算得出。

本发明专利的优点是：采用变传感器信号设定值的控制方法，自动跟踪传感器信号幅值，在两相流下传感器信号设定值调整更加灵活有效；在满足实际工业现场能量限制的前提下，驱动系统输出合适的驱动增益，流量管维持在较稳定和较高水平的振动，传感器输出信号幅值更加平稳，大大减小了两相流测量过程中信号波动性；基于DSP实时实现方法，研制出满足工业防爆要求和应用的系统。

附图说明

图1为本发明系统的硬件结构框图。

图2为本发明系统的软件流程图。

图3为本发明系统的流量管幅值控制框图。

图4为本发明系统的变传感器信号设定值控制方法流程图。

图5为本发明系统的抬升传感器信号设定值流程图。

图6为本发明系统在小含气量下幅值控制效果图（与固定设定值方法对比）。

图7为本发明系统在大含气量下幅值控制效果图（与固定设定值方法对比）。

具体实施方式

本发明的硬件结构框图如图1所示，包括DSP芯片、信号调理与转换电路、数字驱动电路、恒流源电路、Pt100、ADC3、外扩SRAM、外扩铁电存储器（FRAM）、LCD、按键、串口通信、4~20mA及脉冲输出、电源模块等组成。其中，信号调理电路1、ADC1、信号调理电路2、ADC2组成信号调理与转换电路，与科氏质量流量计拾振线圈1和拾振线圈2相连，接收、调理与转换拾振线圈输出的速度信号；DDS、MDAC、功放组成数字驱动电路，完成驱动信号的合成与输出。

本发明的工作过程如图2所示。系统上电后，DSP首先完成系统各个模块、外设以及算法变量的初始化，并同步启动ADC1和ADC2；流量管两侧对称的拾振线圈输出反映振动强弱的传感器信号，经过两路电路参数一致的信号调理电路放大、滤波后，由ADC1和ADC2采样并转换为数字量；采样数据通过DSP的McBSP接口送入DSP内；DSP对采样数据先进行数字滤波，然后采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算信号的频率、相位参数，通过连续比较三点采样数据值，得到信号的幅值参数；DSP根据传感器信号的幅值，结合非线性幅值控制算法和变传感器信号设定值的控制方法，计算驱动增益，最终确定驱动信号的频率、相位和幅值，完成驱动控制；DSP根据传感器信号的频率、相位，计算流体密度、质量流量，并读取ADC3的采样数据，得到温度值，对测量结果进行温度补偿；DSP将测量结果在液晶上显示，并通过SCI接口、4～20mA输出、脉冲输出模块输出测量结果。

系统上电后，DSP完成系统各个部分的初始化，同步启动两路模数转换器ADC1和ADC2。当ADC1数据转换好后，通过GPIO向DSP触发中断。考虑到ADC1和ADC2同步开启，数据转换理论上同时转换完成，因此未开启ADC2中断，而是通过在ADC1中断程序中查询ADC2的状态，判断ADC2是否转换完成。转换完成后，DSP通过McBSP-A和McBSP-B口向ADC1和ADC2提供时钟，将数据转换结果移至McSBP的接收寄存器（DRR）中；使用直接存储器存取（DMA）模块完成采样数据从McBSP接收寄存器到用户指定RAM空间的转移。初始化DMA时，将DMA的通道1和通道2的源地址指针配置为McBSP-A和McBSP-B的接收寄存器，而目的指针则指向用户定义的临时数组bufferL和bufferR，则DMA自动地将McBSP-A和McBSP-B接收寄存器中的数据存储到bufferL和bufferR中。当bufferL和bufferR数组存放满后，产生DMA中断，通知用户读取数据，并且修改DMA目的指针，为下次传送做准备。

DSP采集到传感器信号后，首先完成流量管的启振。在流量管启振完成后，DSP 每采集到100点新的数据，即开始调用算法，进行一次驱动控制。100点数据经过数字滤波后，DSP调用基于拉格朗日二次插值的过零检测算法，找出信号的过零点，计算两路传感器信号的频率、相位差，得到驱动信号的频率；然后估算出传感器信号的实际相位，再根据驱动信号和传感器信号之间的相位关系，结合系统硬件、软件延时，得到驱动信号的相位；通过比较连续采样的三点传感器信号幅值的大小，得到传感器信号的幅值。

在流量管幅值控制过程中，一方面，传感器信号设定值与实际传感器信号幅值比较，当两者间存在误差时，调用非线性幅值控制算法，利用PI调节计算驱动增益，通过调整驱动增益的大小控制流量管振动的强弱。非线性幅值控制算法中的核心部分是，对传感器信号设定值和传感器信号幅值分别取对数，并计算对数误差，之所以采用对数误差是因为它比直接计算的误差，具有更快的控制调节速度。这样，传感器信号幅值会逐渐逼近传感器信号设定值，直到传感器信号幅值达到传感器信号设定值，这个过程的幅值控制由图3中箭头1的方向表示，即传感器信号设定值决定传感器信号幅值。另一方面，传感器信号设定值跟踪传感器信号幅值，根据驱动增益是否饱和作为判断条件，自动调整传感器信号设定值，这个过程的幅值控制由图3中箭头2的方向表示，即由反馈的驱动增益和传感器信号幅值调整传感器信号设定值。

在气液两相流发生时，传感器信号设定值并非固定不变，而是根据驱动增益和传感器信号幅值大小灵活的调整，具体调整的流程如图4所示。传感器信号设定值在流量管启振完成后，首先将其设置为单相流下传感器信号最佳幅值（即），然后与ADC采样100点后获得的传感器信号幅值比较，调用非线性幅值控制算法计算两者的对数误差，该误差作为积分限幅的PI控制器的输入，并通过PI调节计算控制量和驱动增益，判断驱动增益是否超过了硬件电路输出饱和时允许的驱动增益最大值。如果，说明此时为气液两相流状态，需要通过降低传感器信号设定值使驱动增益退饱和，以便维持气液两相流下较稳定的传感器信号幅值；如果，判断驱动增益是否在软件设置的阈值1的范围内，如果在其范围内，即说明驱动增益保持在较高的水平，这时传感器信号设定值维持不变；一旦驱动增益小于软件设置的阈值1的范围且传感器信号幅值没有达到单相流下传感器信号最佳幅值，说明此时两相流下驱动系统输出的驱动增益较低，传感器信号设定值设置的过低，需要对传感器信号设定值重新设置进行抬升，以保证传感器信号幅值维持在较高的水平。

当驱动系统输出的驱动增益饱和时，需要降低传感器信号设定值，使PI控制器积分因子退饱和，进而使驱动增益退饱和。这样，在气液两相流发生时，驱动增益便能跟随流量管阻尼比的变化做出调节，获得平稳的流量管振动和传感器信号。降低传感器信号设定值满足：

（1）

式中，是上次传感器信号设定值，为调整后传感器信号设定值，和分别是上次传感器信号设定值和实际传感器信号幅值对应的权重，且满足。

由上式可知，调整后传感器信号设定值是通过迭代的方式获得的，并且能够跟踪传感器信号幅值的变化。通过调整上式中的权重和，能够灵活的控制传感器信号设定值下降的速度。

当驱动系统输出驱动增益过小且传感器输出信号并未达到最佳幅值时，需要对传感器信号设定值进行抬升，以获得较高的传感器信号幅值，抬升传感器信号设定值的过程如图5所示。抬升传感器信号设定值的幅度与实际传感器信号幅值和当前驱动系统输出的驱动增益有关，抬升传感器信号设定值满足：

（2）

式中，为抬升值，为调节的系数，为硬件电路输出饱和时允许的驱动增益最大值。

在利用上述公式（2）对传感器信号设定值进行抬升过程中，如果抬升值小于软件设置的阈值2时，即传感器信号设定值抬升的幅度不大，那么就维持当前设定值不变，以减小幅值控制过程中小的抖动；如果抬升值大于软件设置的阈值2，且大于传感器信号最佳幅值，说明有足够的抬升空间，设定值设置为传感器信号最佳幅值，否则传感器信号设定值设置为当前的抬升值。

DSP更新完传感器信号设定值后，根据传感器信号设定值与实际传感器信号幅值之间的误差，计算驱动增益，并开始更新驱动信号的参数。通过DDS和MDAC的配合，输出增益可调的驱动信号，控制流量管的振动。

在小含气量和大含气量两种情况下，变传感器信号设定值和固定传感器信号设定值两种控制方法的幅值控制效果分别如图6和图7所示。对比可知，变传感器信号设定值的控制方法，通过跟踪传感器信号的变化调整传感器信号设定值，获得较平稳且幅值波动小的传感器信号。在整个过程中，传感器信号标准差小于固定传感器信号设定值时的1/2，流量管实现平稳的振动。

在流量管维持平稳的振动下，DSP根据传感器信号的频率、相位差计算流体的密度、质量流量，并结合温度进行补偿；与此同时，DSP通过SCI转RS232串口通信，将测量数据上传至上位机，用于两相流下的建模与校正。

Claims (1)

1.一种变传感器信号设定值的科氏质量流量管的控制方法，其特征在于具体控制操作步骤如下：

（1）初始化

数字信号处理器（DSP）首先完成系统各个模块、外设以及算法变量的初始化；

（2）同步开启两路AD转换

采集到位于流量管两侧对称的两个拾振线圈输出的传感器信号，经过两路电路参数一致的信号调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的第一模数转化器（ADC1）和第二模数转化器（ADC2）采样转换为数字量，通过数字信号处理器的多通道缓冲串口（McBSP）送入至数字信号处理器（DSP）；数字信号处理器（DSP）对采样数据先进行数字滤波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算传感器信号的频率、相位参数，并以此获得驱动信号的频率、相位信息，通过数字接口写入到直接数字频率合成器（DDS）中；直接数字频率合成器（DDS）输出期望频率和相位的正弦信号，并接入乘法数模转化器（MDAC）的模拟输入端；

（3）流量管启振

数字信号处理器（DSP）计算传感器信号幅值，并与传感器信号设定值比较，结合非线性幅值控制算法和变传感器信号设定值的控制方法，计算得到数字驱动增益，通过数字接口将数字驱动增益写入乘法数模转化器（MDAC）的数字输入端；乘法数模转化器（MDAC）将模拟输入端和数字输入端信号相乘，经过功率放大后，输出驱动信号，驱动流量管启振；

（4）采集100点数据调用算法驱动控制

在流量管启振完成时，数字信号处理器（DSP）每采集到100点新的数据，接着进行一次驱动控制；

（5）流量和密度计算以及温度补偿

同时，数字信号处理器（DSP）根据传感器信号的频率和相位等参数，计算流体的质量流量、密度；恒流源电路经过Pt100，输出电压经过调理后，由第三模数转换器（ADC3）采样数字化送入数字信号处理器（DSP），进行温度补偿；

（6）测量结果输出

流量和密度的测量结果通过液晶显示，并通过SCI、4~20mA电流环、脉冲输出电路、串口通信将测量结果输出，并将结果用于两相流下的建模与校正；

经过所述第一模数转换器（ADC1）和第二模数转换器（ADC2）采样与转换的数据，通过数字信号处理器（DSP）的GPIO口产生中断；中断服务程序将ADC转换结果传送至数字信号处理器（DSP）的多通道缓冲串口（McBSP）的接收寄存器，通过直接存储器存取（DMA）模块，再将数据传送至用户定义的随机存取存储器（RAM）空间临时数组中；当临时数组存放满时，产生DMA中断，中断服务程序中，将临时数组的数据存放至用户定义的外扩随机存储器（SARAM）循环数组中，用于算法调取数据；每当产生100点新数据，即调用算法模块对数据进行处理；

所述驱动控制是将调取的100点新的数据，进行算法处理；两路采样数据经过数字滤波消除噪声干扰后，数字信号处理器（DSP）调用基于拉格朗日插值的过零检测算法，计算传感器信号的频率、相位信息；通过连续比较三点采样数据的大小，得到传感器信号的幅值参数；在得到传感器信号幅值后，数字信号处理器（DSP）调用变传感器信号设定值的控制方法，跟踪传感器信号变化，并结合非线性幅值控制方法计算驱动增益，通过判断驱动增益是否饱和自动调整传感器信号设定值；如果驱动增益饱和，则降低传感器信号设定值，使驱动增益退饱和；如果驱动增益没有饱和且小于设定的阈值范围，并且传感器信号幅值没有达到单相流下最佳幅值，则抬升传感器信号设定值，使驱动系统输出较大的驱动增益；否则，维持当前的传感器信号设定值不变；

所述变传感器信号设定值的控制方法：当传感器输出信号并未达到最佳幅值时，需要对传感器信号设定值进行抬升，以获得较高的传感器信号幅值；在抬升传感器信号设定值的过程中，首先判断设定值抬升的幅度，如果抬升的范围过小，则维持传感器信号设定值不变，以减小抬升过程中小的抖动；如果抬升值大于单相流下传感器信号最佳幅值，则将传感器信号设定值设置为单相流下传感器信号最佳幅值；否则，传感器信号设定值设置为抬升值；在降低传感器信号设定值的过程中，通过迭代的方式使设定值跟踪传感器信号的变化；

所述数字信号处理器（DSP）更新完传感器信号设定值后，开始更新驱动信号参数；驱动信号的频率即是传感器信号的频率；驱动信号的相位与传感器信号维持特定的关系；驱动信号的幅值控制增益由传感器信号幅值与传感器信号设定值之间的误差计算得出。