CN1214236C - 科里奥利质量流量计的测量和运行电路 - Google Patents

科里奥利质量流量计的测量和运行电路 Download PDF

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Abstract

本发明的科里奥利质量流量计的测量和运行电路中使用了一个数字信号处理器(DSP)。该数字信号处理器仅对振动传感器信号中的差分信号(D)和第一传感器信号(S1)估值。同相分量(I)和正交分量(Q)指定用于差分信号(D)。对第二传感器信号(S2)的放大进行控制，使得同相分量(I)消失。质量流量(m)由正交分量(Q)确定。

Description

科里奥利质量流量计的测量和运行电路
技术领域
本发明涉及一个科里奥利质量流量计的测量和运行电路。
背景技术
科里奥利质量流量计多用于管路截面处流体质量流量的测量。流体流过至少一个振动的测量管。在大多数科里奥利质量流量计中，测量管上都装有一个激振器和两个振动传感器。测量管和流体共同构成一个有振动能力的系统，通常在该系统的固有频率下对其进行激振。固有频率主要与测量管的材料和尺寸有关。该频率也随管中流过流体的密度而变化。在某些情况下，不在固有频率下对测量管进行激振，而在与固有频率临近的一个频率下进行激振。
两个振动传感器测量沿流体流动方向上测量管的两个不同点处的振动，将测量管的振动转变为传感器信号。两个传感器信号具有与测量管振动相同的频率，但是它们之间有相移。
相移是质量流量的计量单位。
传感器信号在一个测量局部电路中进行估值，并转化成与流体的质量流量成比例的信号。除测量流体的质量流量外也可以测量流体的其它特征，例如，流体的密度。为此可测量测量管的振动频率。
在US-A 4801897中描述了一个激振局部电路，它是按照模拟锁相环调节方式构成的。可以根据流过流体密度的不同将激振频率自动地调节到振动系统的固有频率。
已知的测量电路有模拟工作方式的，例如EP-A698 783或US-A4895030中描述的，或数字工作方式的，例如EP-A702 212或US A5429 002中描述的。
EP-A698 783中描述的测量电路具有一个模拟控制回路，它对两个传感器的信号进行控制，使其幅值相同。
EP-A 866 319中公知的另一种测量和运行电路中，两个传感器信号在进一步处理前被放大，其中，放大器的放大因数可变。一个数字信号处理器可以对两个信号的总和和差值、或者两个信号中的一个信号进行估值。
为保证测量的精确性，重要的是使得两个传感器信号在放大后具有相同的幅值。为此需要一个幅值调节器，对两个传感器信号的总和和差值进行估值。
为确定流量，除需要差分信号外，还需要一个传感器的信号。
在该电路中，总共构成3个模拟振动信号，随后将这3个信号送到一个计算单元中进行继续处理。为在计算单元中进行信号处理，每一个振动信号都至少需要一个A/D转换器。
发明内容
本发明的任务是完成一个科里奥利质量流量计的测量和运行电路，在该电路中构成并估值的振动信号更少，同时保证具有足够的测量精确性，而且电路的实现要简单、费用低廉。
本任务通过一个测量和运行电路解决，该电路用于一个科里奥利质量流量计，质量流量计上装有带有至少一个测量管的检出元件，测量管上有第一和第二两个振动传感器，两个传感器在流动方向上相距一定间隔，该测量管上还具有一个激振器。测量和运行电路包括：与第一振动传感器相连接的第一放大器；与第二振动传感器相连接的第二放大器；用于生成振动信号S1的第一A/D转换器，其中S1与第一振动传感器的输出信号成比例，而该第一振动传感器与第一放大器相连接；一个差动放大级，它的两个输入端分别与第一和第二放大器相连接；与差动放大级串联的第二A/D转换器，用于生成差分信号D，它与放大后的第一和第二振动传感器的输出信号之差成比例；一个数字信号处理器，它仅对振动传感器信号中的差分信号D和一个传感器信号S1进行估值并完成以下操作步骤：
(a)确定传感器信号S1的幅值AMS1
(b)以传感器信号S1为参考信号，确定差分信号D的同相分量I和正交分量Q
(c)控制第二放大器的放大，使差分信号的同相分量I消失
(d)利用剩余的正交分量Q，根据公式m～Q/(AMS1*f)计算质量流量，其中“～”表示成比例。
附图说明
以下根据图中描述的实施例详细说明本发明，各图为：
图1：科里奥利质量流量计的检出元件的示意图
图2：科里奥利质量流量计的测量和运行电路的方块图
图3：图2中测量电路各个工作步骤的方块图
具体实施方式
图1为一个科里奥利质量流量计的检出元件1的示意图。检出元件1安放在一个未画出的管中，该管内有流体F流过，流体的质量流量是所关心的量之一。管通过两端的法兰2和3连接。
检出元件1包括一个测量管4，它是唯一的直管，它的流入端通过端板13固定在法兰2上，流出端通过端板14固定在法兰3上。
发明中的测量和运行电路并不局限于这种特定的具有唯一直测量管的检出元件1。它也可以用于其它不同的已公知的检出元件。这里需要提及的是例如使用带有支架质量的测量管的检出元件，如EP 97 810559中所描述的情况，带有弯曲测量管的检出元件(EP 96 10 9242)，以及带有两个平行的直管或弯管形式的测量管的检出元件(US4793191或US41 27 028)。
法兰2、3和端板固定在支撑管15上或其内部。
为使得测量管产生振动，需要在端板13、14之间的测量管4中间部位安装一个激振器16，例如可以是一个电磁驱动式激振器，它由永磁铁161和线圈162组成。
线圈162固定在支撑管15上，永磁铁161固定在测量管4上。
通过经过线圈162的电流，可以控制测量管4的振动幅值和弯曲振动频率，振动发生在图面内。
在图面内同时还将作用有科氏力，它使得沿测量管4各点不再同相振动。测量管4的振动通过两个振动传感器17、18进行测量，两个振动传感器对称地分布在激振器16的两侧，也安装在支撑管15上。17、18两个振动传感器可以使用电磁转换器，它们的布置与激振器16中的永磁铁-线圈的布置类似。两个永磁铁171和181固定在测量管4上，两个线圈172和182固定在支撑管15上。测量管4的运动作用于永磁铁171和181上，使得在相应线圈172和182上产生感应电压，它们作为模拟传感器信号X17和X18输出。
通常一个科里奥利质量流量计包括一个检出元件和一个附属的测量和运行电路。图2给出了检出元件1附属的测量和运行电路的方块图，它用于传感器信号的估值和激振的控制。
两个传感器信号X17和X18分别输入到第一放大器V1和第二放大器V2。至少通过放大器V2的可调节放大因数VF使它的放大可变。
第一放大器V1与第一A/D转换器AW1相连接，与之平行连接一个差动级D1的输入端。
第二放大器V2与差动级D1的另一个输入端相连接。
差动级D1的输出端与第二A/D转换器AW2相连接。
两个A/D转换器AW1和AW2输出端上为数字化的传感器信号S1和差分信号D。两个输出端各自与数字信号处理器DSP相连接。
第一放大器V1和第一A/D转换器AW1构成第一振动信号通路SW1。
第二放大器V2，差动级D1以及第二A/D转换器AW2构成第二振动信号通路SW2。
为使用振动传感器S1和S2确定质量流量，仅需要将数字传感器信号S1和数字差分信号D经由振动信号通路SW1和SW2输入到数字信号处理器DSP即可。
数字信号处理器DSP在第一个输出端A1的输出信号给出质量流量的测量结果m。数字信号处理器的第二个输出端A2输出放大的信号VS，它与一个D/A转换器DW1的输入端相连接，DW1的输出端与放大器V2相连接。
可根据放大信号VS调节第二放大器V2的放大因数VF。
第三个输出端A3给出激振电流信号Ierr，用于控制使测量管激振的激振电流。
图3中给出了确定质量流量m所必需的各个工作步骤的示意图。
步骤a)确定传感器信号S1的幅值AMS1。
为确定数字传感器信号S1的幅值，将其与正弦单位信号SE和余弦单位信号CE相乘，然后各自以低通滤波器T滤波。在低通滤波器T后可以得到幅值a和b。它根据两个单位信号SE和CE给出传感器信号S1的份额。通过对平方和a2+b2开根号，可以得到传感器信号S1的幅值AMS1，测量的坐标系由两个单位信号SE和CE张成。
步骤b)以传感器信号S1为参考信号，确定差分信号D的同相分量I和正交分量Q。
将差分信号D和传感器信号S1相乘，然后以低通滤波器TP4滤波，由此得到差分信号D的同相分量I。
此外，将差分信号D与经过90度相移的传感器信号S1相乘后由滤波器T3进行滤波。由此得到差分信号D的正交分量Q。
步骤c)控制第二放大器的放大，使得差分信号D的同相分量I消失。
将差分信号D的同相分量I输入到控制器R，它给出放大信号VS，以该信号调节放大器V2的放大因数VF，使得同相分量I消失。
当差分信号D的同相分量I消失后，两个放大器V1和V2的输出信号幅值儿乎相等。当两个传感器信号X17和X18之间的相差减小时，上述信号幅值差别也同样越来越小。
步骤d)利用剩余的正交分量Q，根据公式m～Q/(AMS1*f)计算质量流量。
由得到的正交分量Q值和幅值，根据公式m～Q/(AMS1*f)计算质量流量m。频率f由一个振荡器G提供。
振荡器G产生数字单位正弦信号SE和单位余弦信号CE。单位余弦信号CE与一个变幅值AMP相乘得到信号Uerr。
利用Uerr驱动电路TR，为激振器16提供激振电流。
为准确地在振动系统的固有频率下进行激振，数字信号处理器DSP中，激振信号Uerr和系统的回应之间的相差dΦ确定传感器信号S1。
对单位信号SE和CE的频率f进行控制，使得相差dΦ刚好成为0。在这种情况下，激振力的相位正好与测量管4振动速度同相位。

Claims (1)

1.一种用于科里奥利质量流量计的测量和运行电路，该质量流量计具有一个至少带有一个测量管的检出元件(1)，在该测量管上装有第一和第二振动传感器(17、18)，两个传感器在流动方向上相距一定间隔，该测量管上还具有一个激振器(16)，该电路包括：
用于第一振动传感器(17)输出信号的第一放大器V1，
用于第二振动传感器(18)输出信号的第二放大器V2，
用于生成振动信号S1的第一A/D转换器AW1，该信号S1与第一振动传感器(17)的输出信号成比例，
差动级D1，它的两个输入端分别与第一和第二放大器相连接，
与差动级D1串联的第二A/D转换器AW2，它给出差分信号D，该信号与放大后的第一和第二振动传感器(17、18)的输出信号之差成比例；
其特征在于
一个数字信号处理器DSP，它仅对振动传感器信号中的差分信号D和传感器信号S1进行估值并完成以下操作步骤：
e)确定传感器信号S1的幅值AMS1，
f)以传感器信号S1为参考信号，确定差分信号D的同相分量I和正交分量Q，
g)控制第二放大器的放大，使差分信号D的同相分量I消失，
h)利用剩余的正交分量Q，根据公式m～Q/(AMS1*f)计算质量流量，其中“～”表示成比例。
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