科氏质量流量计非线性幅值控制模拟电路研究

候山山　于少东　黄丹平　张芯豪　徐同旭　郭康

摘要：科氏质量流量计的起振时间限制其使用范围，而起振时间的长短关键在于驱动电路。现阶段科氏质量流量计模拟驱动电路存在起振速度慢、驱动信号幅值不稳定等问题。针对其问题，改进模拟驱动电路，采用集成芯片组成自动增益电路，输出幅值稳定信号，并创新性加入变电压信号控制电路，即对驱动信号进行非线性幅值控制，使流量计驱动信号随传感器输出信号增大而减小，达到使流量计快速稳幅起振。通过对所研发试验级驱动电路进行仿真分析与实际测试，结果表明：该驱动电路驱动信号稳定且起振速度比现阶段模拟驱动电路起振速度更快，抗干扰能力更强。

关键词：改进电路；自动增益；非线性幅值控制；快速起振

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2018）05-0118-07

0引言

科氏质量流量计（CMF）自从问世以来，因其可以直接测量流体质量流量且测量精度高、使用寿命长等优点，得到广泛研究和应用，其中以欧美国家和日本在科氏质量流量计的研究领域中处于领先地位，而国内科氏质量流量计起步较晚，技术相对落后。近几年，国内科氏质量流量计研究明显加快，主要集中于传感器信号的处理算法、一次仪表的驱动方案以及硬件系统平台等。而现阶段科氏流量计驱动方案主要为模拟驱动电路，还存在如离散元件过多、占用体积大、起振速度慢、起振不稳定等问题，限制了其进一步应用。为了扩大科氏流量计应用范围，针对现阶段电路所存在问题，由汪俊其等提出一种科氏质量流量计新型模拟驱动电路，即采用集成芯片技术代替传统离散元器件组成电路。该研究通过对新型模拟驱动电路进行仿真分析和实物测试，实验结果表明，新型模拟驱动电路在流量管起振的平稳性和起振速度方面与文献中所提出模拟驱动电路相比都有较大提升，且为以后模拟驱动电路的模块化、集成化，提供了方向。

然而，在这些已有的研究基础上，流量计起振的稳定性和起振速度仍然有改进的空间。本文通过对科氏流量计驱动电路工作原理进行分析研究，加入变电压信号控制电路，使流量计能够快速起振。经过对研发电路仿真分析与实物测试，该电路与文献中模拟驱动相比，流量计所需起振时间显著减少，且抗干扰能力强、驱动信号更稳定，能够适应更复杂环境，测量精度更高，可扩大流量计应用范围。

1驱动激振原理与电路组成

科氏质量流量计自激振动系统由模拟驱动电路、振动管、电磁激振器和流量管两端的传感器组成，其模拟驱动自激振动系统H-q结构图，如图1所示。驱动电路通过流量管两端速度传感器获取振动信号，该信号经过放大滤波后，再经自动增益、功率放大模块得到驱动信号，驱动电磁激振器，使流量管以一定规律振动，其振动再由传感器捕获，形成闭环回路，由此建立起自激振动。

自激振荡平衡条件为

|H（jω）F（jω）|=1 （1）

式（1）为幅值平衡条件。系统若要自行振荡，则应满足下式：

|H（jω）F（jω）|>1 （2）

从图1中可知，科氏流量计模拟驱动电路主要包含4部分：初級放大电路、低通滤波电路、自动增益模块和功率放大模块。在驱动系统工作时，传感器输出信号与高频干扰信号，经初级放大电路进行放大，再输入到低通滤波电路，滤除高频信号，保留流量管主频附近的信号。

自动增益模块接收滤波电路输出的信号，其输出为与输入呈反向的正弦曲线，从而保证驱动力相位的自适应满足，无需移相操作。同时自动增益稳幅单元，控制输出信号的幅值，使其稳定在期望幅值附近，以保证流量管振动的稳定性。

功率放大模块为流量管振动提供能量，来自自动增益模块的稳幅信号将被放大为稳定幅值的驱动信号，驱动流量管振动。功放增益效果好坏，将直接影响流量管驱动效果。

2模拟驱动电路改进方案

现阶段所使用模拟驱动电路尽管能够使科氏流量计正常工作，但仍存在起振速度漫、驱动信号不稳定等问题，影响其对流体质量流量测量的准确度，同时限制了在工业中使用范围。基于此，本文提出由放大滤波模块、自动增益模块、变电压信号控制模块、功放模块4部分所组成新型模拟驱动电路，如图2所示。其中，放大滤波模块为带放大信号作用的二阶低通滤波器，自动增益模块为由AD734乘法器芯片和两个NE5532乘法器芯片组成的自动增益控制电路，变电压信号控制模块由NE5532双运放芯片组成，功放模块为TDA2030A芯片组成的功放电路。该驱动电路采用集成芯片减少离散电子元件使用数量，精简电路结构，减少噪声的引入，从而增加流量管振动平稳性，并增加变电压信号控制电路，提高流量管起振速度。

2.1二阶低通滤波器

由于科氏质量流量计对驱动信号相位与幅值要求较高，而经过一阶滤波器滤波后的信号相位与幅值发生较大改变，直接影响流量管起振效果。因此，本文采用比一阶滤波器具有更好隔高频性能，通带衰减更快，且带放大作用的二阶滤波器对传感器输出信号进行处理。图3为所研发二阶低通滤波电路。该电路采用C1、R1、R2、R3、C2、C3、Rf和0P297组成二阶低通滤波器，来消除传感器输出信号中高频成分，提高起振信号频率精度。由于现有科氏质量流量计最高信号起振频率1 000 Hz以下，在研发电路中，采用具有良好精密性、低通道、低失调电压和低温漂的集成芯片OP297，组成二阶滤波器。该滤波器可有效滤除高频信号，提高起振电路工作性能。

在滤波电路中，可通过调整R2和Rf电阻值来调整滤波电路的截止频率，截止频率计算公式如下式所示：

如图4、图5所示，对所研发二阶滤波电路滤波性能进行测试。图4为叠加干扰信号的传感器信号，图5为二阶滤波器滤波输出信号。可以看出，采用二阶滤波器的模拟驱动电路，能够有效滤除噪声，保留所需振动频带，有利于平稳、快速驱动流量管。

2.2自动增益模块

科氏质量流量计驱动信号幅值的稳定性对其正常起振至关重要。在科氏流量计自激振动系统中，科氏流量计流量管具有低通滤波效果，可自动从噪声中选出测量系统所需固有振动频率，选出频率后，需对信号进行稳幅控制。

自动控制增益电路其工作原理如下：当信号由AD734乘法器芯片输出后，再由两个NE5532双运放芯片组成的放大电路、整流电路、低通滤波、差分放大电路，对信号进行放大、整流、滤波、差分放大处理，并将处理后信号返回输入模拟乘法器中，形成闭环系统，如图6所示。

其计算公式如下式所示：

图7为所研发自动增益电路，由AD734乘法器芯片和两个NE5532双运放芯片组成，其增益调节范围较宽（-11-34dB），具有较高增益线性度。

上述自动增益电路能使输出信号幅值稳定在-1-1v之间任意值。为验证自动控制增益电路实际应用效果，将滑动变阻器Rv4设置在某一固定值时，通过信号发生器输出频率为181 Hz，幅值为50-800 mV的正弦信号，并将其接入到自动增益电路输入端，使用示波器对自动增益电路输出结果进行测试，读取输出信号峰值电压，实验测试结果如表1所示。可知当可变单元电阻为某一固定值时，改变自动增益控制电路输入端信号幅值，其输出信号幅值能准确稳定在系统所需范围。

2.3变电压信号控制电路

经过多次对科氏质量流量计进行驱动起振实验，并对实验结果分析得出，科氏质量流量计其起振时间长短主要由主振频率所决定，与驱动电压无明显关系。图8为不同驱动电压驱动传感器信号幅值包络曲线。因此，想要快速起振，必须更改信号幅值，如现以10 v驱动电压进行驱动，其理论传感器输出信号幅值包络线应如图中红色曲线所示，但实际过程中待传感器信号快达到3v时，将驱动电压变为6v，此时传感器信号幅值将不再按照图8中红色曲线进行变化，将向6v驱动电压所生成传感器信号最大幅值处靠近，此时驱动起振时间显著减少，达到快速稳幅，这就是从根本上缩短流量计起振时间的原理，即变电压驱动，或称非线性幅值控制。图9为所研发变电压信号控制电路，由一个NE5532双运放芯片构成，其工作原理：自动增益电路输出的稳幅信号不变，流量计驱动信号随传感器输出信号增大而减小，达到不断改变驱动电压的目，从而使流量计快速平稳起振。

2.4功率放大模块

驱动电路的功率放大模块为模拟驱动关键部分，其为流量管提供稳定振动所需驱动力。本文所使用功率放大模块，以TDA2030集成功放芯片（如图10所示）作为核心组件。该芯片是一种低电压、功率可达到18w的放大芯片，不仅具有闭锁自由运作功能，而且提供输出信号短路保护和过热保护。通过二极管D1、D2实现输出电压的保护，避免由于输出电压过大，出现烧毁负载线圈现象。该集成芯片的使用，不仅减小功率放大模块尺寸，而且减弱离散元器件之间相互干扰，从而提高流量管的起振效率。

对本文的功放模块进行性能测试，分别对不同幅值正弦信号进行测试，其功放效果如圖11所示。其中图11（a）为输入信号幅值180mV时功放输出曲线，可看出功放效果较好。图11（b）为功放输入输出电压曲线，从图中可知该功放模块具有较高的线性放大特点，满足流量计对驱动信号低失真的要求。

2.5整体改进模拟驱动电路

如图12所示，为本文所研发科氏质量流量计改进模拟驱动电路原理图。

3改进驱动电路测试

现以四川中测科技发展有限公司TH010型流量传感器作为测试对象，流量计传感器流量管主频约为181 Hz，流量计准确等级0.5级，对文献中所研究新型模拟驱动电路与本文所研发模拟驱动电路进行起振测试和抗干扰能力测试。

测试中，采用NI的PCI-1747U数据采集卡采集数据。当数据采集结束时，将采集数据导入到Matlab中，以便观察传感器信号起振时间曲线和流量管稳定振动后加入外界噪声干扰的振动曲线。如图13、图14所示，分别为文献中所研究新型模拟驱动电路与本文研发电路对第一主频约为181 Hz的科氏流量计起振曲线图，图15、图16为流量管平稳振动后加入干扰实验结果曲线。本测试中流量管起振时间，以上电瞬间开始计时，传感器输出信号幅值达到稳定幅值的95%作为终止时刻，两者之差作为起振时间。可从导出的数据计算出，本文所研发模拟驱动电路平稳驱动流量管，所需起振时间约5 s，而文献中所研究新型模拟驱动电路则需要15 s左右。由图15、图16加入干扰后结果曲线可知，文献中所研究新型模拟驱动电路受到干扰时需约2 s才能恢复到平稳状态，而本文所研究模拟驱动电路则是在流量管瞬间偏离原来位置后，又恢复到平稳状态。测试结果表明，本文所研究模拟驱动电路起振速度更快，所需起振时间显著减少，且抗干扰能力更强。

相比于文献中所提出模拟驱动方法，其仿真结果所需起振时间为13.7 s，主要是针对于批料流和两相流发生的过程中，流量管阻尼比较大且不断变化的情况下，而本文中对所研究模拟驱动电路进行测试是在空管起振的条件下，其流量管阻尼比较小且几乎没有变化，因此所需起振时间与文献中模拟电路仿真结果有较大差别。

4结束语

为改进科氏质量流量计模拟驱动电路，提高起振速度与增加振动稳定性，对电路中低通滤波器与自动增益模块进行改进，减低元器件及外界环境对驱动电路的干扰，从而增加驱动信号稳定性，并加入变电压信号控制电路，即变电压驱动，使流量计快速平稳起振。使用改进模拟驱动电路对主频约为181 Hz科氏质量流量计进行测试，实验结果表明改进模拟驱动电路能够使流量管快速平稳起振，且起振所需时间显著缩短，此外，改进模拟驱动具有结构简单、工作稳定、兼容性好、抗干扰能力强等特点。

（编辑：莫婕）