基于驱动特性图法的科氏流量计模拟驱动设计

徐浩然， 徐科军，2， 张 伦， 刘 文，乐 静， 黄 雅， 刘陈慈

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.工业自动化安徽省工程技术研究中心，安徽 合肥 230009)

1 引 言

科里奥利质量流量计(以下简称科氏质量流量计)可以直接测量流体的质量流量，测量精度高，重复性好，具有广阔的应用前景[1]。科氏质量流量计由质量流量传感器(或称一次仪表)和变送器(或称二次仪表)组成。质量流量传感器由流量管、电磁激振器、速度传感器、温度传感器和外壳组成。电磁激振器驱动流量管振动，流过流量管的流体使流量管扭曲，造成2个速度传感器输出信号的相位差发生变化，对这两路数据处理即可得到质量流量信息。变送器由驱动模块和数字处理模块组成[2，3]。驱动模块为电磁激振器提供信号和能量，使流量管稳幅振动；数字处理模块接收速度传感器的输出信号，交由核心处理器处理，得到质量流量。其中，流量管的稳幅振动是科氏质量流量计工作的前提，所以，驱动部分是科氏质量流量计的重要组成部分。科氏质量流量计有模拟和数字2种驱动方式[3]。模拟驱动由模拟电路组成，结构简单，由噪声起振，在单相流等稳定流体下可以正常工作。但是，在应用现场，被测液体流量中往往会混入气体，形成了气液两相流的工况，此时传感器的振动阻尼会变高，速度传感器输出信号的幅值较低，驱动信号理应变大[4～7]。但是，由于模拟驱动电路幅值控制环节的局限性，驱动信号幅值反而减小，这样导致了传感器停振，使得科氏质量流量计无法正常工作。数字驱动[8～15]的驱动信号是根据速度传感器的信号进行计算形成的，不受原始速度传感器信号幅值大小的影响。当遇到气液两相流时，可以及时调整驱动能量，保证传感器不停振。但是，数字驱动系统复杂，成本较高，控制参数需要调整才能取得较好效果。目前，国内大部分生产和使用的是模拟驱动的科氏质量流量计[16]。

为此，本文采用驱动特性图法分析已有模拟驱动存在的问题，得出传感器停振的原因。在此基础上，推导新型模拟驱动的驱动特性曲线，设计新型模拟驱动电路。在持续气液两相流和单相流-气液两相流切换下，对已有模拟驱动与新型模拟驱动进行驱动效果对比实验，以验证新型模拟驱动的驱动性能。

2 已有模拟驱动分析

2.1 原理框图

驱动流量管时，模拟驱动依据自激振荡原理，即不外加激励信号，由模拟电路中的微弱噪声使流量管起振。起振后，驱动信号能逐渐满足流量管振动所需的幅值和相位平衡条件[3，4]，并最终使流量管达到所需的振动幅值。已有模拟驱动系统由电压跟随电路、放大滤波电路、乘法电路、电压放大电路、功率放大电路、精密整流电路、增益控制电路和驱动保护电路8个电路环节组成，如图1所示。

图1 已有模拟驱动系统组成框图Fig.1 The block diagram of existing analog drive

流量管振动信号(即速度传感器信号)Vs经过电压跟随电路、放大滤波电路，得到初步处理后的信号Vi。Vi经过整流后变为直流信号VTPE，通过增益控制模块和乘法电路对Vi进行放大(或缩小)形成驱动源信号；驱动源信号的幅值较小，不足以驱动传感器振动，因此需要经过电压放大和功率放大才能形成驱动信号Vd。同时，VTPE信号也控制电压放大模块的开关，防止驱动信号幅值过大，损坏电磁激振器。

2.2 电路驱动特性

设电压跟随电路的放大倍数为1；放大滤波电路的幅频响应为F(ω)；精密整流电路的输出直流分量为输入交流信号有效值的0.9倍；增益控制电路中运算放大器的放大倍数为K1，基准比较电压为Vref，输入信号为精密整流出来的直流信号VTPE，则增益控制电路环节的输入、输出关系为：

Vc=(1+K1)Vref-K1VTPE

(1)

乘法电路的输入是经过放大滤波后的交流振动信号Vi和放大控制信号Vc，输出是2个输入乘积的0.1倍；在传感器正常振动时，驱动保护电路不起作用，电压放大电路的电压放大倍数为K2；功率放大电路放大驱动电压，一般其电压放大倍数为定值，本次分析默认为1。这样就可以推导出模拟驱动电路输出Vd与输入Vs的关系：

(2)

将式(2)化为二次函数标准表达式：

(3)

(4)

(5)

2.3 驱动特性图分析

根据式(3)可以绘制出已有模拟驱动的驱动特性曲线，如图2中的曲线1所示。

图2 已有模拟驱动的驱动特性图Fig.2 The drive characteristic diagram for existing analog drive circuit

当传感器工作在固有频率时，其增益是固定的，因此，稳态下驱动信号幅值和振动信号幅值是线性关系[14]。在单相流情况下，仅需要较低幅值的驱动信号就能够驱动传感器在足够高的幅值下振动，因此直线的斜率小，如图2中的直线1所示。在气液两相流发生时，传感器阻尼变大，相同驱动信号幅值下，传感器的振动幅值会变得更小，直线的斜率变大，如图2中的直线2所示。

图2中，单相流时，直线1和曲线1有一个交点P1，该点能够同时满足变送器的驱动特性和传感器的振动条件，是传感器的稳态工作点，即稳态时传感器的振动幅值是Vs1，驱动信号幅值是Vd1。气液两相流时，直线2的斜率过大，与曲线1不存在一个稳定的交点，即流量管振动信号为任意幅值时，驱动电路所提供的驱动信号幅值都不足以驱动传感器，因此，传感器发生停振。

可见，已有模拟驱动电路在气液两相流下无法驱动传感器的真正原因是驱动电路的幅值控制不合理，在传感器振动幅值较小时，不能以较大的输出幅值去驱动传感器，导致传感器停振。

3 新型模拟驱动设计

3.1 驱动特性图设计

由2.3节可知，已有模拟驱动工作在单相流时，与传感器驱动特性曲线有一个稳定交点，即稳定工作点；工作在气液两相流时，与传感器驱动特性曲线无交点，传感器停振。因此，改进已有模拟驱动的驱动特性曲线就显得十分重要。如果保持特性曲线1的顶点横坐标B/(2A)不变，增大A，将曲线1变为曲线2，则曲线2与两条直线都有稳定交点P1、P2，即传感器在单相流和气液两相流下都能稳定工作。改进的特性曲线如图3中的曲线2所示。

图3 改进的驱动特性图Fig.3 Improved characteristic diagram

但是，结合实际电路发现，单相流时，新的稳定工作点的流量管振动信号Vs比原有工作点的振动信号大，即新的稳定工作点传感器振动幅度比原有工作点大，可能会损坏传感器；气液两相流时，电压幅值会被功率放大电路最大输出电压和安全栅限制，最大只能达到Vmax。

因此，需再次改进已有模拟驱动的驱动特性曲线。当流量管振动信号幅值大于B/(2A)时(单相流)，驱动特性曲线仍为曲线1，与已有模拟驱动电路一致；当流量管振动信号幅值小于B/(2A)时(气液两相流)，保持B/(2A)不变，增大A，将曲线1变为曲线2。同时，当Vd幅值过大时，功率放大电路和安全栅能将Vd幅值限制在Vmax，防止烧毁电磁激振器。最终，新型模拟驱动的驱动特性曲线如图4所示。

图4 新型模拟驱动的驱动特性图Fig.4 The drive characteristic diagram of new analog drive

新型模拟驱动工作在单相流时，与传感器有一个稳定交点P1，工作状态与已有模拟驱动的工作状态一致；工作在气液两相流时，与传感器有一个稳定交点P2，此时，驱动信号幅值为Vmax，流量管振动幅值为Vs2，依然可以保证传感器振动。

3.2 原理框图

由3.1节可得，单相流时，新型模拟驱动与已有模拟驱动的驱动特性曲线一致；气液两相流时，新型模拟驱动与已有模拟驱动的顶点横坐标B/(2A)相同，但A更大。结合式(4)、式(5)，若符合这一条件，需要保持K1、F(ω)、Vref不变，已有模拟驱动的电压放大电路放大倍数K2可变，即电压放大电路应该是一个倍数可调的电压放大电路。但是，气液两相流时，单个倍数可调电压放大电路的放大倍数是不够的。因此，在乘法电路前，又加入一个倍数可调的电压放大电路，先进行一级放大，经过乘法电路后，再进行一级放大。新型模拟驱动原理框图如图5所示。

图5 新型模拟驱动原理框图Fig.5 The block diagram of new analog drive circuit

3.3 电路设计

倍数可调的电压放大电路如图6所示，包括放大倍数控制电路和正向电压放大电路2部分。

放大倍数控制电路由运算放大器U1A(OPA2277)和外围的电阻、电容组成。VTPE为流量管振动信号整流后得到的控制信号。R6和C3构成一阶无源低通滤波器电路，对VTPE进行低通滤波后接至U1A的反向输入端。9V模拟电源供电下，R1和R5的分压信号进入U1A的正向输入端，设该电压信号为Va。Va与VTPE进行比较，对应于图2中的B/(2A)。

正向电压放大电路由运算放大器U1B(OPA2277)、场效应管Q1(MMBF5457)和外围的电阻、电容组成。C4和R7构成无源高通滤波器电路，对输入信号进行高通滤波后接至U1B的正向输入端。电容C1、运算放大器U1B、电阻R3又构成有源低通滤波器，对放大的信号进行滤波，其截止频率由R3和C1共同决定。

当VTPE小于Va时，即VTPE小于B/(2A)时，U1A输出高电平，Q1导通，R3、R2、Q1、地构成一段回路，由运算放大器的虚短原理可得，P点电压等于输入信号电压，输出信号等于1+R3/R2倍输入信号，即正向放大电路放大倍数为1+R3/R2；当VTPE大于Va时，U1A输出低电平，Q1不导通，R3、R2、Q1、地不能构成一段回路，R3电阻几乎无电流经过，不产生压降，输出信号电压等于P点电压，等于输入信号电压，即正向放大电路的放大倍数为1。

图6 倍数可调的电压放大电路原理图Fig.6 The diagram of voltage amplification circuit with adjustable magnification

4 实验验证

为了验证理论分析的结果，在持续的气液两相流下和单相流-气液两相流切换下，分别进行已有模拟驱动电路和新型模拟驱动电路的驱动特性的对比实验。在持续的气液两相流下进行实验的目的是验证新型模拟驱动能否在不同气体流量下驱动传感器，使传感器稳定振动；在单相流-气液两相流切换下进行实验的目的是观察新型模拟驱动电路能否在流体发生突变时，始终维持传感器的振动。只有满足这2个条件，驱动系统才能较好地适应实际工况。

实验装置示意图如图7所示。该装置主要由水箱、水泵、空压机、科氏质量流量传感器、科氏质量流量变送器、气体浮子流量计、阀门及管道等组成。管道被检表处安装一台Micro Motion公司生产的科氏质量流量传感器，型号为CMF025，该传感器作为本次实验的对象。使用已有模拟驱动电路和新型模拟驱动电路的变送器，分别匹配科氏质量流量传感器进行实验。实验装置可进行单相流和气液两相流实验。当进行单相流实验时，水泵汲取水箱中的水，依次流过阀1、标准表、三通阀、被检表、阀3，最后回到水箱，调节阀1和阀3可以控制水流量大小。当进行气液两相流实验时，阀2开启，空压机压缩气体，经由气体浮子流量计控制进气量后，在三通阀处与水路通道中的水混合形成气液两相流，继而在三通阀开始按照单相流实验时水的流向流动。

图7 气液两相流实验装置框图Fig.7 Gas-liquid two-phase flow experimental device block diagram

4.1 持续气液两相流下驱动稳定性对比实验

为验证新型模拟驱动与已有模拟驱动能否在气液两相流状态下工作，进行持续气液两相流下新型模拟驱动与已有模拟驱动的驱动信号幅值对比实验。该实验在图7所示的实验装置上进行，实验步骤如下：

1) 将基于已有模拟驱动的变送器与CMF025型传感器匹配，调整传感器内的水流量为10.8 kg/min，并使传感器振动在最佳幅值4.3 V。

2) 传感器稳定振动后，使用气体浮子流量计调节气体流量为0.2 L/min，迅速打开阀门2，使传感器中的介质从单相流切换到气液两相流状态。实验过程中，使用Tektronix DPO3014四通道数字示波器观察并采集20 s驱动信号和流量管振动信号。

3) 分别将气体流量调节为0.6 L/min和1 L/min，再次按照步骤2)进行实验。

4) 使用基于新型模拟驱动的变送器进行上述实验，采集实验数据。

为了将单相流和气液两相流下的驱动情况进行对比，本次实验也采集了气体流量为0，即单相流情况下的驱动信号和流量管振动信号。对采集的数据进行去偏置、二阶巴特沃斯滤波后，采用三点法取单峰值。三点法即如果一个点的幅值大于前一个点幅值，且大于后一个点幅值，就认为这个点的幅值是这个周期的单峰值。再对这些单峰值取平均值，就可以得到不同气体流量下，已有模拟驱动电路和新型模拟驱动电路驱动传感器时驱动信号和流量管振动信号的单峰值平均值，如表1所示。

表1 已有模拟驱动电路与新型模拟驱动电路驱动实验结果Tab.1 Experimental results of existing analog drive and new analog drive V

从实验结果可以看出：在单相流情况下，已有模拟驱动电路驱动传感器时，驱动信号单峰值为4.529 5 V，流量管振动信号单峰值为4.285 5 V，在合适的幅值范围内；在气液两相流情况下，已有模拟驱动电路的驱动信号单峰值小于0.8 V，流量管振动信号单峰值小于0.04 V，基本上和现场噪声在一个数量级上。由图4可看出，气液两相流情况下，传感器驱动特性曲线变成了直线2，已有模拟驱动的驱动特性曲线仍为曲线1，直线2与曲线1没有交点，即没有稳定工作点，因此，传感器发生了停振。

在单相流情况下，新型模拟驱动电路驱动传感器时，驱动信号单峰值为3.969 0 V，流量管振动信号单峰值为4.239 0 V，在合适的幅值范围内；在气液两相流情况下，新型模拟驱动电路的驱动信号单峰值一直保持在14.8 V左右，流量管振动信号单峰值大于295 mV，传感器维持振动。由图4可以看出，气液两相流情况下，传感器驱动特性曲线变成了直线2，新型模拟驱动的驱动特性曲线变成了曲线2和直线3的实线部分，直线2与直线3有交点，即有稳定工作点，因此，传感器依然维持振动，且驱动幅值保持在最大值。此时，传感器振动幅值较低，是由于功率放大电路最大输出电压和安全栅限制了驱动电压的最大值，使得驱动能量不足，但传感器本身仍在稳幅振动[5]。

由表1实验数据对比可知，在单相流情况下，已有模拟驱动电路和新型模拟驱动电路都能驱动传感器在最佳振动幅值下振动。在气液两相流情况下，已有模拟驱动电路由于幅值控制不合理，传感器发生了停振；而新型模拟驱动电路一直输出最大幅值的驱动信号，维持传感器的振动，科氏质量流量计依然可以正常工作。实验结果的对比验证了新型模拟驱动电路能在气液两相流下驱动传感器，而已有模拟驱动电路在气液两相流下无法驱动传感器。因此，新型模拟驱动的驱动性能更好。

4.2 单相流-气液两相流切换驱动快速性对比实验

科氏质量流量计在应用时，传感器中的介质经常会发生变化，比如单相流和气液两相流之间的来回切换。这种情况的发生对流量计的驱动提出了更大的挑战。在单相流突然切换到气液两相流时，气体冲击强，驱动系统难以保证传感器不停振；在气液两相流切换到单相流时，驱动系统必须能迅速地将传感器恢复到最佳振动幅值，以保证测量性能。为此，进行流型切换下新型模拟驱动与已有模拟驱动特性的对比实验。该实验在图7所示的实验装置上进行，实验步骤如下：

1) 将基于已有模拟驱动的变送器与CMF025型传感器匹配，调整传感器内的水流量为10.8 kg/min，并使传感器振动在最佳幅值4.3 V。

2) 传感器稳定振动后，使用气体浮子流量计调节气体流量为0.2 L/min，迅速打开阀门2，使传感器中的介质从单相流切换到气液两相流状态。保持10 s后，迅速关闭阀门2，使传感器中的介质迅速从气液两相流状态切换到单相流。实验过程中，使用Tektronix DPO3014四通道数字示波器观察并采集20 s驱动信号和流量管振动信号。

3) 分别将气体流量调节为0.6 L/min和1 L/min，再次按照步骤2)进行实验。

4) 使用基于新型模拟驱动的变送器进行实验，采集实验数据。

给出气体流量为0.2 L/min，单相流-气液两相流切换下两种模拟驱动电路驱动传感器的驱动信号和流量管振动信号，分别如图8和图9所示。

图8 已有模拟驱动电路驱动传感器的驱动信号和流量管振动信号Fig.8 The drive signal and flow tube vibration signal of existing analog drive circuit using to drive flow tube

图9 新型模拟驱动电路驱动传感器的驱动信号和流量管振动信号Fig.9 The drive signal and flow tube vibration signal of new analog drive circuit using to drive flow tube

从图8和图9中可以看出，当单相流切换到气液两相流时，已有模拟驱动的驱动信号幅值较小，传感器发生了停振；新型模拟驱动的驱动信号基本上维持在最大幅值，传感器未发生停振；当气液两相流切换到单相流时，已有模拟驱动电路的传感器从气液两相流振动状态恢复到单相流振动状态需要3.62 s，新型模拟驱动电路只需2.74 s，因此，新型模拟驱动能够更快地将传感器恢复到最佳振动幅值。

为了能够更加充分地验证新型模拟驱动电路的驱动性能，对气体流量为0.6 L/min和1 L/min时采集到的数据进行去偏置、二阶巴特沃斯滤波后，采用三点法取单峰值，得到2种驱动电路驱动下传感器振动幅值变化曲线，如图10和图11所示。

图10 流型切换时传感器振动幅值(气体流量0.6 L/min)Fig.10 Flow tube vibration amplitude under flow pattern switching (Gas flow 0.6 L/min)

图11 流型切换时传感器振动幅值(气体流量1 L/min)Fig.11 Flow tube vibration amplitude under flow pattern switching(Gas flow 1 L/min)

从图10和图11可以看出，在气体流量为 0.6 L/min 或者1 L/min的状况下，当单相流切换到气液两相流状态时，新型模拟驱动电路驱动的传感器都能维持振动，而已有模拟驱动电路驱动的传感器已经停振；当气液两相流切换到单相流状态时，新型模拟驱动都能够更快地将传感器恢复到最佳振动幅值。

5 结 论

1) 提出采用驱动特性图法，分析已有模拟驱动无法在气液两相流下驱动传感器的原因。由于已有模拟驱动电路的幅值控制不合理，当被测液体流量中含有气体时，传感器的振动阻尼增大，流量管振动信号幅值降低，需要的驱动能量增加。但是，已有模拟驱动无法在低幅值的流量管振动信号下，提供高幅值的驱动信号。因此，已有模拟驱动无法提供所需的能量，从而，与传感器没有稳定工作点，致使传感器停振。

2) 根据已有模拟驱动的驱动特性曲线推导出了新型模拟驱动的驱动特性曲线，设计出了新型模拟驱动电路。加入了2个倍数可调的放大电路，使得新型模拟驱动在单相流下的工作状态与已有的模拟驱动工作状态一致；在气液两相流下，驱动信号幅值保持在最大幅值处，传感器能够维持振动。

3) 进行了新型模拟驱动与已有模拟驱动的对比实验。在持续气液两相流下，新型模拟驱动的传感器能够保持振动，振动幅值较高，而已有模拟驱动的传感器发生停振；在单相流切换到气液两相流时，新型模拟驱动的传感器不停振，已有模拟驱动的传感器发生停振；在气液两相流切换到单相流时，新型模拟驱动的传感器可以更快地恢复到最佳振动幅值。