[发明专利]一种基于全数字驱动方式的科氏质量流量计启振方法

说明书

本发明提供了一种基于全数字驱动方式的科氏质量流量计启振方法，涉及流体测量领域，通过等间隔扫频输出连续频率的方波激励信号驱动流量管，利用方波信号所含的基波分量以及不同频率奇次正弦谐波分量来激振流量管，采用峰值比较法对流量管输出信号进行幅值检测，当某一频率方波信号与CMF流量管固有频率接近时检测到CMF流量管输出信号幅度最大，捕获此方波信号频率并重新以此频率的方波信号驱动流量管到达共振状态，调用频率粗估算法对流量管输出信号进行频率估计，最后以粗估得到的CMF流量管共振频率的正弦波来驱动流量管达到稳定的工作状态，本发明能稳定捕获到变化后的频率来重新驱动流量管，大幅提高了流量管的跟踪性能和可靠性能。

技术领域

本发明涉及流体测量领域，尤其是一种科里奥利质量流量计的启振方法。

背景技术

科里奥利驱动系统是科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)的重要组成部分，CMF借助振动管振动来使流体处于旋转系中以产生所需要的科里奥利力，进而形成振动管两端的相位差，通过检测此相位差实现质量流量的测量。现阶段实用化的科氏流量计驱动系统是采用模拟电路亦或是半数字电路，其易受噪声干扰，小流量时测量精度低，量程下限受限。在CMF处于两相流和批料流状态时，频率相位跟踪性能较差，甚至会导致流量管振动过激或者停振，这极大的影响了CMF测量精度的提高。合肥工业大学徐科军等的中国专利“科氏质量流量计正负阶跃交替激励启振方法和系统，CN101608940A”提出了采用正负阶跃交替激励启振方法来驱动CMF工作，通过跟踪检测CMF一次仪表传感器输出信号相位进行正负阶跃交替激励，此方法需要通过采用格型IIR陷波器估算信号频率，根据频率计算信号相位，再将频率和相位信息送入直接数字频率合成器合成频率等于激振器固有频率且相位满足正反馈的激振信号，最后将合成信号送入乘法模数转换器得到驱动输出，可见此启振系统构成十分复杂，研究人员对于此算法的设计和优化会耗费大量的时间，该专利所述的启振方法需要实时地通过检测信号过零点来实现相位检测，而格型IIR陷波滤波器受制于中心频率的选择而不具备较强的动态跟踪性，因此将直接影响CMF流量管启振速度。除此之外，由于工业现场存在无法预知的各种噪声，若该专利所述的相位估计结果精度不足，或将导致CMF流量管无法启振。

综上所述，现有的科里奥利质量流量计驱动系统存在启动时间长，尤其是对于应用在两相流和批料流等场合下的CMF流量管存在控制不灵活、动态跟踪性能差、精度不够高的缺点。

发明内容

为了克服现有技术驱动CMF流量管启振时间长以及对流量管状态跟踪性能差的缺陷，本发明提供一种基于全数字驱动方式等间隔扫频输出方波激励信号驱动CMF流量管的启振方法，该方法通过等间隔扫频输出连续频率的方波激励信号驱动流量管，利用方波信号所含的基波分量以及其余丰富的不同频率奇次正弦谐波分量来激振流量管，采用峰值比较法对流量管输出信号进行幅值检测，当某一频率方波信号与CMF流量管固有频率接近时检测到CMF流量管输出信号幅度最大，捕获此方波信号频率并重新以此频率的方波信号驱动流量管到达共振状态，调用频率粗估算法对流量管输出信号进行频率估计，最后以粗估得到的CMF流量管共振频率的正弦波来驱动流量管达到稳定的工作状态。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是基于全数字驱动方式的等间隔扫频输出方波激励信号驱动CMF流量管启振，具体步骤如下：

步骤一、初始化输出方波信号的频率范围、信号幅度以及每个频率输出的持续时间：输出方波信号的频率范围覆盖所有型号科里奥利流量管的共振频率，方波信号的幅度经过一个由OPA4277(Operational Amplifier，OPA)高精度运算放大器组成的一级增益调理电路将幅值放大15倍，幅值放大15倍后的方波信号幅度不变，对初始化的方波信号的频率范围进行扫频输出，扫频频率分辨率依据CMF流量管启振扫频频带宽度设置为1Hz，每个方波频率持续输出20ms，每20ms扫频频率递增1Hz，20ms包含了至少一个周期宽度的输出频率方波信号；