一种基于全数字驱动方式的科氏质量流量计启振方法与流程

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(coriolismassflowmeter，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。

技术实现要素：

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(operationalamplifier，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；

步骤二、科里奥利流量管在步骤一输出的方波信号的驱动下做受迫振动，使用峰值比较法对来自科里奥利质量流量计一次仪表输出的信号进行幅度检测，峰值比较法具体步骤为：取至少包含一个周期的cmf一次仪表模数转换器(analog-to-digital，ad)采样输出信号序列中数字幅度采样值的最大值max作为信号峰峰值的数字化幅度，使用公式其中2.5为ad转换器参考电压，2¹⁵为ad转换器的分辨率，将数字化幅度转换为实际的输出信号幅度，得到的vpp为科里奥利质量流量计一次仪表输出信号的实际幅度；

步骤三、将科里奥利质量流量计一次仪表数学模型的传递函数写成如下形式：

其中k为常系数，ξ为流量管阻尼比，ωn为cmf流量管共振频率，cmf流量管振动体系为无限自由度受迫振动体系，且采用第一主振型；

当输入激励信号的频率ω等于流量管共振频率ωn，使得输入激励信号与流量管固有频率耦合共振，cmf一次仪表此时输出信号的幅度最大，捕获此时cmf一次仪表最大输出信号所对应的方波激励信号频率f，该频率f的方波信号包含最接近流量管共振频率的正弦波频率分量，并能够使流量管起振，以捕获到的方波激励信号频率f重新驱动流量管，且此时保持输出方波信号频率和幅度不变，直至流量管进入共振状态；

步骤四、使用频率估计算法对cmf一次仪表输出的信号进行频率粗估，粗估详细步骤为：设置一个k个点的采样存储数组存储ad转换器对信号的k个采样值，采样数组每更新m个采样点进行一次频率计算，其中k的取值范围为10倍到20倍的周期采样点数，m的取值范围为1/4周期到1个周期的周期采样点数，采用基于分段相位差的相位补偿频率计算方法求解出流量管共振固有频率fn，使用直接数字频率合成器合成一个频率等于固有频率fn的正弦激励信号，正弦激励信号的幅度等于初始化输出的方波信号的幅度，以数字频率合成器合成的正弦波信号激励流量管，设定一个流量管振动幅度阈值v，v＝fn×1，单位mv，1表示流量管振动信号分辨率为1mv/hz，cmf一次仪表输出信号幅度大于设定阈值v时，驱动系统切换到闭环驱动，否则扫频完一次后重新回到步骤一开始重复驱动。

本发明的有益效果是由于采用了等间隔扫频输出连续方波信号来驱动流量管启振，不同频率的方波信号包含的基波分量与丰富的奇次谐波频率分量成分总能满足驱动流量管启振的共振频率要求，本发明设置的扫频范围能够覆盖科里奥利质量流量计所有型号的共振频率，每个频率持续的时间保证了至少一个周期的方波信号输出，本发明提出的启振方法无需使用复杂的格型iir陷波器估算信号频率，改善了科里奥利质量流量计启振系统的启振时间，且不需区分高低频流量管管型，对于低频管的启振时间可控制在4s以内，对高频管的启振时间可控制在3s以内，当流体流经流量管导致共振频率发生变化时，对比采用格型iir陷波器估算信号频率的方法，涉及的粗估算法缩短了跟踪频率变化的时间，能稳定捕获到变化后的频率来重新驱动流量管，此方法大幅提高了流量管的跟踪性能和可靠性能。

附图说明

图1是本发明涉及的启振方法流程框图。

图2是本发明的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

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(operationalamplifier，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；

步骤二、科里奥利流量管在步骤一输出的方波信号的驱动下做受迫振动，使用峰值比较法对来自科里奥利质量流量计一次仪表输出的信号进行幅度检测，峰值比较法具体步骤为：取至少包含一个周期的cmf一次仪表模数转换器(analog-to-digital，ad)采样输出信号序列中数字幅度采样值的最大值max作为信号峰峰值的数字化幅度，使用公式其中2.5为ad转换器参考电压，2¹⁵为ad转换器的分辨率，将数字化幅度转换为实际的输出信号幅度，得到的vpp为科里奥利质量流量计一次仪表输出信号的实际幅度；

步骤三、将科里奥利质量流量计一次仪表数学模型的传递函数写成如下形式：

其中k为常系数，ξ为流量管阻尼比，ωn为cmf流量管共振频率，cmf流量管振动体系为无限自由度受迫振动体系，且采用第一主振型；

当输入激励信号的频率ω等于流量管共振频率ωn，使得输入激励信号与流量管固有频率耦合共振，cmf一次仪表此时输出信号的幅度最大，捕获此时cmf一次仪表最大输出信号所对应的方波激励信号频率f，该频率f的方波信号包含最接近流量管共振频率的正弦波频率分量，并能够使流量管起振，以捕获到的方波激励信号频率f重新驱动流量管，且此时保持输出方波信号频率和幅度不变，直至流量管进入共振状态；

步骤四、使用频率估计算法对cmf一次仪表输出的信号进行频率粗估，粗估详细步骤为：设置一个k个点的采样存储数组存储ad转换器对信号的k个采样值，采样数组每更新m个采样点进行一次频率计算，其中k的取值范围为10倍到20倍的周期采样点数，m的取值范围为1/4周期到1个周期的周期采样点数，确定信号的频率已知，确定ad转换器即可得到该ad转换器的采样频率，由此可计算出信号一个周期内的采样点数；本发明k值取5000，m值取100，即设置一个5000点的采样存储数组存储ad转换器对信号的5000个采样值，采样数组每更新100个采样点进行一次频率计算以提高频率计算输出速度，采用基于分段相位差的相位补偿频率计算方法求解出流量管共振固有频率fn，使用直接数字频率合成器合成一个频率等于固有频率fn的正弦激励信号，正弦激励信号的幅度等于初始化输出的方波信号的幅度，以数字频率合成器合成的正弦波信号激励流量管，设定一个流量管振动幅度阈值v，v＝fn×1，单位mv，1表示流量管振动信号分辨率为1mv/hz，cmf一次仪表输出信号幅度大于设定阈值v时，驱动系统切换到闭环驱动，否则扫频完一次后重新回到步骤一开始重复驱动。

如图1所示，针对国内某厂家生产的共振频率范围介于89-240hz四种型号cmf流量管，本发明的基于全数字驱动方式科里奥利质量流量计启振方法主要包括连续方波信号扫频输出、幅值检测、捕获方波驱动信号频率重新激励流量管和粗估共振频率合成正弦信号激励流量管四个步骤组成，图2所示的是本发明的程序流程图，其具体实施步骤如下：

步骤一、初始化扫频输出方波信号的频率范围为80-240hz，信号幅度4v，设置每个频率输出的持续时间20ms，即扫频范围内的每个频率持续时间为20ms，方波信号经过一个乘法数模转换器和一个信号增益放大调理电路进行幅度放大以驱动流量管启振，放大倍数15倍，扫频输出的频率分辨率为1hz，即在扫频范围内的频率从80hz起，每隔20ms频率增大1hz，当输出频率到达240hz时将返回80hz处重新循环，由于扫频范围内方波信号的最大周期为12.5ms要小于扫频时间间隔20ms，因此20ms时间间隔能够至少包含一个周期宽度的扫频范围内方波信号输出。

步骤二、cmf流量管在方波驱动信号作用下做受迫振动，使用峰值比较法对来自科里奥利质量流量计一次仪表输出的信号进行幅度检测。算法取至少包含一个周期的cmf一次仪表ad采样输出信号序列进行幅度粗估，在序列中寻找最大值max作为信号峰峰值的数字化幅度。采用一个具有16位精度的四通道同步模数转换器进行数据采集，ad量程为2.5v，使用模数转换公式vpp＝max×2.5×1.414/32767把数字幅度转换成真实模拟幅度，其中vpp为科里奥利质量流量计一次仪表输出信号的实际幅度。

步骤三、cmf流量管振动体系为无限自由度受迫振动体系且采用第一主振型，当激励信号的频率ω等于流量管共振频率ωn时，由于流量管的选频特性使得cmf一次仪表输出信号幅度达到最大值。即当一次仪表输出信号幅度到达启振阈值0.32v时，捕获此输出最大输出信号对应方波激励信号的频率，该频率的方波信号包含了最接近流量管共振频率的正弦波频率分量，以捕获到的方波信号频率重新驱动流量管，停止扫频，此时方波驱动信号频率不再改变、幅度不变，方波信号激励流量管直至进入共振状态。启振阈值的设定跟流量管制造工艺以及方波驱动信号的幅度有关，针对前述提及国内某厂家生产的共振频率范围介于89-240hz四种型号cmf流量管，实验测试得到的启振阈值为0.32v。

步骤四、调用频率估计算法对cmf一次仪表输出的信号进行频率粗估，算法设置一个5000点的采样数组，通过减少采样数组更新的点数来提高频率估计算法的计算速度，当采样数组每更新100个采样点时进行一次频率估计，此粗估频率即为流量管共振时的固有频率，重新以此固有频率来合成一个正弦激励信号，信号幅度等于方波信号的幅度。用此正弦波信号激励流量管，当cmf一次仪表输出信号幅度大于共振幅度设定值时，驱动系统切换到闭环驱动，否则扫频完一次后重新回到步骤一开始驱动。共振幅度设定值与步骤三中提到的启振阈值不同，共振幅度设定值依据1hz/mv原则而设定，且设定值不超过ad采样的量程范围。例如国内某厂家生产的共振频率为103hz的cmf流量管，工业要求的稳定共振幅度为103mv。