[发明专利]一种科氏质量流量计数字闭环控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种科氏质量流量计数字闭环控制系统，采用乘法数字模拟转换器MDAC与非线性幅值控制相结合的方法对科氏质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter，以下简称CMF)进行快速稳定的闭环控制。

背景技术

流量计量在工业过程控制中占有重要地位，CMF作为一种直接敏感流体质量流量的测量仪表，具有很多其他流量传感器无法比拟的卓越的性能。因此，它广泛应用于食品、石油、化工等领域中，并且有继续扩大的趋势。

CMF主要由传感器部分和二次仪表部分组成，传感器部分主要包括激振器、测量管、拾振器，二次仪表部分主要包括闭环控制系统和流量解算系统。其中闭环控制系统的功能是使CM F的测量管以其谐振频率稳定振动，为解算系统提供解算信号，它是CMF正常工作的关键，其性能直接决定流量解算精度。

闭环控制系统必须同时满足幅值条件和相位条件。传统的闭环控制系统使用模拟电路实现，电路复杂，且普遍使用模拟器件搭建而成，受温度、噪声影响较大，抗干扰能力差，容易产生零漂，导致测量精度较低，甚至使得测量管无法正常工作。因此，近年来，数字闭环控制技术正逐渐发展。

数字闭环控制技术由国外率先提出，至今已发展二十多年。英国Oxford大学的Manus P.Henry和Mayela Zamora提出了一种控制方法，该方法描述了四种模式：随机序列模式、零输出模式、正反馈模式和数字合成模式。首先生成随机频率和幅值的正弦信号激励测量管，经过一段时间后，进入零输出模式；在固定时间里，激励信号一直为零，待测量管稳定在谐振频率后，进入正反馈模式；处理器计算出振动管振动的频率和相移大小，进入数字合成模式，产生激励信号。该方法利用ADC、DAC、FPGA和高速处理器搭建数字闭环控制系统，实时监控传感器的振动状态，具有较好的控制效果。但是该方法必须预先建模得到测量管的工作频率范围，且每次控制必须测量其振动频率，控制过程复杂，对处理器速度要求较高。另外，硬件使用分离的模块搭建而成，集成度低，成本过高，限制了其推广应用。(Manus P.Henry，Mayela E.Zamora.STARTUP AND OPERATIONAL TECHNIQUES FOR A DIGITAL FLOWMETER[P].2006，US7146280B2；Mayela Zamora，Manus P.Henry.An FPGA Implementation of a Digital Coriolis Mass FloW Metering Drive System[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(7)：2820-2831).

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种科氏质量流量计数字闭环控制系统，简化了电路，实时跟踪测量管的振动频率，提高了CMF闭环控制性能，保证传感器正常稳定工作，一定程度上提高了CMF的测量精度。

本发明的技术解决方案：一种科氏质量流量计数字闭环控制系统包括：限幅电路、反相放大器、有效值转换器、模拟数字转换器(ADC)、处理器、乘法数字模拟转换器(MDAC)和放大器；拾振器输出的振动信号经过限幅电路限幅、反相放大器放大，由有效值转换器将放大后的信号转换为有效值，ADC对所述有效值进行采样测量送至处理器中；处理器将所述有效值与预先设定的目标有效值进行比较得到误差值，并利用非线性幅值控制方法实时调整MDAC输出信号的幅值，其实现过程为：测量管在振动过程中，当误差值高于某一阈值时，处理器控制MDAC输出最大幅值的激励信号；当误差值小于该阈值时，使用参数自整定PI控制方法调节激励信号的幅值；所述MDAC输出信号的幅值经放大器放大后作为激励信号传至激振器，使测量管以稳定的幅值振动；同时MDAC的基准电压由经过反相放大器放大后的振动信号直接提供，所述MDAC被设为反相输出，即输出电压与基准电压反相，两次反相后，硬件上实现固定相移360°，满足闭环控制的相位条件，同时使得MDAC输出的正弦信号频率与拾振器输出的信号频率保持一致，以跟踪测量管的振动频率，当测量管稳定振动时，此时的振动频率即为科氏质量流量传感器的测量管的谐振频率。

为了缩短该闭环控制系统的响应时间，根据误差值大小，调整PID控制器的PI环节的比例系数Kp和积分系数Ki，使得拾振信号有效值能快速达到设定值，从而使闭环系统能够更快进入稳定工作状态。