一种基于流体状态检测的科氏流量计振幅自适应控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种科氏流量计控制方法，尤其涉及一种基于流体状态检测的科氏流 量计振幅自适应控制方法。
【背景技术】
[0002] 科氏流量计具有高精度、宽量程比、重复性好的特点，代表了直接式质量流量测量 技术的最高水平，在石油、化工、制药、食品、贸易计量等工业领域应用广泛。它的工作原理 是，利用流体在振动的管道中流动时所产生的与质量流量成正比的科里奥利力，直接地测 量质量流量。
[0003] 科氏流量计是基于测量管的振动工作的，工业界普遍认为，测量管振动的振幅稳 定对科氏流量计的精确计量具有重要影响。在科氏流量计应用现场也发现，流体状态的改 变（如从单相流变为两相流）会引起测量管振动阻尼的变化，破坏测量管的振幅稳定，进而 降低科氏流量计的计量精度。但是在科氏流量计的多种应用场合，不可避免地经常会出现 气泡流（即液体中混入气泡）或混入其它固体粒子，此时测量管振动系统阻尼可增大一到 两个数量级，并发生剧烈跳动。科氏流量计中普遍采用正反馈驱动电路作为测量管振动系 统的驱动方案，即将测量管振动信号乘以一个驱动增益K之后直接作为驱动信号，因而测 量管振幅控制的关键在于驱动增益K的确定。驱动增益K是以振动信号幅值与设定幅值的 偏差作为输入信号，经由振幅控制器运算之后得到的。目前最常用的振幅控制方法是固定 PID控制，在流体介质单一，测量管振动系统的参数稳定时，固定PID控制能取得非常稳定 的振幅，保障科氏流量计的高精度优势。但在流体状态改变，测量管振动系统的参数发生变 化时，固定PID控制不能保持在最佳的控制性能，需要较长的稳定时间，在变化较大的情况 下，甚至会出现测量管停振后无法再次起振，从而导致科氏流量计失效的情况。
[0004] 针对流体状态改变引起测量管振动系统的参数快速变化的情况，已有的解决方案 是模糊PID振幅控制方法。该方法根据振动幅值的变化，参考工业界PID参数的整定经验， 实时地调整PID参数，以对测量管振动系统的参数变化作出响应，避免测量管的停振，并使 振幅快速恢复稳定，提高科氏流量计在气泡流或含其它杂质情况下的可靠性与计量精度。 但是模糊PID控制在测量管振动系统参数稳定的情况下，与固定PID控制相比，一方面会引 起PID参数的频繁跳动，降低振幅控制的稳态性能，对科氏流量计的计量造成负面影响，削 弱其高精度优势；另一方面，模糊PID控制方法需要实时对PID参数进行计算和调整，对系 统的数据计算和数据存储能力要求高，长时运行会显著增加系统功耗，提高科氏流量计的 应用成本。
【发明内容】
[0005] 为了获得复杂流体状态下科氏流量计测量管的振幅稳定，本发明提供了一种基于 流体状态检测的科氏流量计振幅自适应控制方法，针对不同的流体状态采用不同的振幅控 制方法，增强振幅控制的自适应性，在保持稳态下科氏流量计的高精度优势的同时，改善其 动态响应性能，提高科氏流量计在复杂工况下的可靠性和计量性能。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
[0007] 1)在科氏流量计测量管的入口端与流体管道之间安装流体状态检测装置，对流体 状态进行检测；流体状态检测装置包含液体超声波发射器、液体超声波接收器和阈值比较 器，液体超声波发射器、液体超声波接收器分别安装在安装管段对称的两侧，液体超声波接 收器连接阈值比较器；
[0008] 2)液体超声波发射器发射的超声波经安装管段内的流体后被液体超声波接收器 接收，通过阈值比较器比较检测超声波接收信号幅值是否发生突变，若未发生突变则流体 中不含有杂质，若发生突变则流体中含有杂质；
[0009] 3)实时根据上述步骤的流体状态是否含有杂质的结果，进行固定PID与模糊PID 振幅控制器的实时切换，实现流量计振幅自适应控制。
[0010] 所述的流体内杂质包括气泡或者固体粒子。
[0011] 当在一个超声波信号周期内，所述阈值比较器输出信号出现上升沿，表示流体状 态为稳态，超声波接收信号幅值未发生突变其中不含有杂质；当在至少一个超声波信号周 期内，所述阈值比较器输出信号未出现上升沿，超声波接收信号幅值发生突变其中含有杂 质。
[0012] 所述步骤2)阈值比较器采用模拟式单阈值比较器。
[0013] 所述的阈值电压接入阈值比较器的反相端，超声波接收信号接入阈值比较器的同 相端。
[0014] 所述步骤3)中振幅控制器的切换方式具体如下：若检测得到流体中含有杂质，则 将单片机的工作模式切换到模糊PID振幅控制器；若检测得到流体中不含有杂质；则将单 片机的工作模式切换到固定PID振幅控制器。
[0015] 所述的阈值比较器连接有单片机，单片机连接有用于超声波接收信号幅值判断中 周期定时的定时器，单片机经驱动模块与科氏流量计测量管的控制端连接，单片机由切换 的控制器产生驱动增益信号传送到科氏流量计测量管进行控制。
[0016] 本发明与【背景技术】相比具有的有益效果是：
[0017] 本发明在科氏流量计测量管入口上游使用一对液体超声波换能器对管道内流体 状态进行检测，利用阈值比较器对超声波接收信号进行处理和比较，对流体状态进行预判。
[0018] 当流体为稳态无气泡等杂质时，采用稳态实验下整定得到的固定PID控制器进行 振幅控制，获得稳态下的高精度控制性能；当流体中含有气泡等杂质时，采用气泡流仿真优 化得到的模糊PID控制器进行振幅控制，提高系统动态响应速度，避免测量管的停振，并快 速重建稳定振动。
[0019] 本发明方法增强了科氏流量计测量管振幅控制的自适应性，提高了科氏流量计在 复杂工况下的可靠性和计量性能。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的流体状态检测装置安装示意图。
[0021] 图2是本发明的流体状态的超声波检测示意图。
[0022] 图3是本发明的振幅自适应控制方法流程图。
[0023] 图中：1、流体管道；2、流体状态检测装置；3、科氏流量计测量管；4、气泡；5、阈值 比较器；6、单片机；7、定时器；2_1、安装管段；2_2、液体超声波发射器；2_3、液体超声波接 收器；2_4、垫片。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0025] 本发明方法包括以下步骤：
[0026] 1)如图1所示，在科氏流量计测量管3的入口端与流体管道1之间安装流体状态 检测装置2,对流体状态进行检测；如图2所示，流体状态检测装置2包含液体超声波发射 器2_2、液体超声波接收器2_3和阈值比较器5,液体超声波发射器2_2、液体超声波接收器 2_3分别安装在安装管段2_1对称的两侧，液体超声波接收器2_3连接阈值比较器5 ;阈值 比较器5连接单片机，单片机连接有定时器，单片机经驱动模块与科氏流量计测量管3的 控制端连接，液体超声波发射器2_2、液体超声波接收器2_3通过垫片2_4安装在安装管段 2_1两侧的内孔中；
[0027] 2)液体超声波发射器2_2发射的超声波经安装管段2_1内的流体后被液体超声波 接收器2_3接收，通过阈值比较器5比较检测超声波接收信号幅值是否发生突变，超声波经 流体内杂质衰减后会使得超声波接收信号幅值发生变化进而判断其中是否含有杂质；若未 发生突变则流体中不含有杂质，若发生突变则流体中含有杂质；其流体内杂质指的是可能 包括气泡或者固体粒子。
[0028] 本发明的超声波接收信号是否发生突变可通过上升沿来判断的，如果出现了上升 沿，幅值未突变；若不出现上升沿，则信号幅值变小了，发生了突变。
[0029] 本发明流体状态检测装置2包括一个液体超声波发射器和一个液体超声波接收 器，它们安装在科氏流量计测量管3的入口端上游；液体超声波发射器发射的超声波在均 匀密度的液体中传播几乎没有能量损失，而气泡或其它粒子等杂质对超声波信号有衰减作 用，会造成超声波接收信号幅值的骤然降低。
[0030] 优选的阈值比较器5采用模拟式单阈值比较器。阈值电压接入阈值比较器5的反 相端，其阈