[发明专利]一种用于谐振式密度计的闭环控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于谐振式密度计的闭环控制系统及方法，该系统包括：频率可控信号发生器，用于产生电信号，形成激励信号给激励元件，促使激励元件激励谐振子产生振动；电荷放大器，用于对振动信号进行放大；两级反相积分器，用于对振动信号进行滤除，滤除高频分量，得到输出信号；模拟乘法器，用于对激励信号和输出信号进行处理，得到两种信号的乘积，并形成乘积输出信号；直流分量提取模块，用于从乘积输出信号中提取出反映激励信号和输出信号的相位差信息的直流电压信号；控制器，用于根据直流电压信号调节所述频率可控信号发生器输出激励信号的频率，促使激励信号和输出信号相位差维持在预定恒定值。

技术领域

本发明涉及闭环控制技术领域，具体来说，涉及一种用于谐振式密度计的闭环控制系统及方法。

背景技术

液体密度是科研与工业生产领域中非常重要的物理参数，例如确定油类及化石燃料的特性，确定酒精含糖类饮品的成分，配合质量流量计确定液体体积流量等。谐振式密度计具有用液量小，实时性好，自动化程度高等优点，是近年来研究的热点。

谐振式密度计的原理利用了谐振子固有频率与谐振子质量的一一对应关系，由于谐振子质量包括谐振子本身与其内部容纳的液体，且谐振子内部体积一定，因此谐振子固有频率仅与内部液体密度有关，由此建立了谐振子固有频率与液体密度的函数关系，其中，、可通过两种已知密度的液体标定。

谐振式密度计的谐振子要与控制系统相结合才能工作，通常控制系统分为基于幅频特性和基于相频特性两种。基于幅频特性的控制系统一般是开环的，通过扫频，找到使谐振子振动幅度最大时的频率，便是谐振频率。这种方法通常要配合信号发生器、锁相放大器和计算机实现，难以应用于实际产品；而基于相频特性的控制系统又分为闭环自激振荡系统和以锁相环为核心的闭环控制系统。

闭环自激振荡系统应用最为广泛，它的主体是自动增益控制环节和移相环节，通常只能工作在谐振子基频状态下，很难获得高阶模态的谐振频率。并且移相环节容易受温度影响产生相位漂移，在谐振子品质因数很大的情况下系统很容易不起振。

以锁相环为核心的闭环控制系统激励源通常来源于信号发生器芯片，因此不存在不起振的情况，并且通过改变信号发生器初始激励频率可以使谐振子工作在高阶模态下，但是通常模拟锁相环电路不考虑输入输出信号本身存在的约束关系，因此导致结构复杂，不易实现。因此目前应用很少。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中闭环自激电路难以起振并且只能工作在基频的问题，本发明提出一种用于谐振式密度计的闭环控制系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一方面，提供了一种用于谐振式密度计的闭环控制系统。

该用于谐振式密度计的闭环控制系统，用于由激励元件、谐振子以及拾振元件构成的敏感结构，包括：

频率可控信号发生器，与所述激励元件连接，用于产生电信号，形成激励信号给激励元件，促使激励元件激励谐振子产生振动；

电荷放大器，与所述拾振元件连接，用于在拾振元件拾取谐振子振动的振动信号后，对振动信号进行放大；

两级反相积分器，与所述电荷放大器连接，用于对所述电荷放大器放大的振动信号进行滤除，滤除高频分量，得到输出信号；

模拟乘法器，与所述两级反相积分器连接，用于对激励信号和输出信号进行处理，得到两种信号的乘积，并形成乘积输出信号；

直流分量提取模块，与所述模拟乘法器连接，用于从模拟乘法器的乘积输出信号中提取出反映激励信号和输出信号的相位差信息的直流电压信号；