本发明涉及流量检测领域，是一种能用于气液两相流的科氏质量流量计的新型模拟驱动电路，具体涉及一种科氏质量流量计模拟驱动电路中的倍数可调的电压放大电路。
背景技术：
科氏质量流量计用于流体质量流量的直接测量，测量精度高，重复性好，而且还能同时实现流体的体积流量、密度、温度等多参数和不同流体状态下的测量，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计由一次仪表(或称科氏质量流量传感器，简称传感器)和二次仪表(或称科氏质量流量变送器，简称变送器)组成。一次仪表包括流量管、驱动线圈、拾振线圈和温度传感器，变送器包括信号处理系统和流量管驱动系统(简称驱动系统)。驱动系统产生合适的驱动信号，提供给驱动线圈，从而驱动流量管振动。当流量管振动时，安装在其上面的拾振线圈能产生流量管振动信号。该信号经过放大、滤波和采集后被信号处理系统处理。
科氏质量流量计的驱动性能直接决定了其测量性能。目前，科氏质量流量计的驱动方式主要分为模拟驱动和数字驱动。模拟驱动是依据自激振荡的原理，使用模拟器件搭建驱动电路，实现科氏质量流量传感器流量管的振动。数字驱动大多采用波形合成的方法，即处理器采集流量管的振动信号，计算出驱动信号的幅值、相位和频率参数(简称驱动参数)，再依据这些参数在处理器内部或者外部合成驱动信号，用于驱动流量管振动。
模拟驱动方式仅仅依靠模拟电路就可以实现流量管的稳幅振动，电路结构简单，不需要处理器的参与，在测量单相流时具有很好的驱动性能。模拟驱动信号来自流量管振动信号，频率和相位真正实现了实时跟踪，但是，在测量中，当气液两相流发生时，模拟驱动下流量管容易停振。数字驱动能够实现流量管在单相流和气液两相流下的驱动，但是，需要处理器进行驱动信号幅值、相位和频率参数的计算，增加了处理器的负担。同时，驱动参数的更新至少需要流量管一个振动周期的时间，所以，不是完全意义上的实时跟踪。例如，对于固有振动频率为200Hz的传感器，数字驱动至少需要5ms的时间才能更新一次驱动参数。另外，数字驱动方式需要采用计算速度较快的算法，才能在较短的时间内更新驱动参数。
针对科氏质量流量计两种驱动方式各自存在的不足，国外学者的研究重点倾向于数字驱动，从提升驱动快速性和优化幅值控制算法两个方面进行了深入的研究(ZAMORA M E,HENRY M P.An FPGA implementation of a digital Coriolis mass flow metering drive system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2820-2831)，主要包括使用计算速度更快的处理器、采用计算量更小的算法以及控制速度更快的非线性幅值控制算法。在国内，合肥工业大学对科氏质量流量计两种驱动方式的原理、实现和应用等方面都进行了深入的研究，成功研制了基于模拟驱动方式的和基于数字驱动方式的变送器(HOU Q L,XU K J,FANG M,et al.Development of Coriolis mass flowmeter with digital drive and signal processing technology[J].ISA Transactions,2013,52(5):692-700.)(李苗,科氏质量流量计数字驱动方法与两相流实验装置[D].合肥:合肥工业大学硕士论文,2011)(朱永强,数字式科氏质量流量变送器硬件研制[D].合肥:合肥工业大学硕士论文,2010)。但是，目前国内外均未解决气液两相流下模拟驱动方式时流量管会停振的问题。
技术实现要素：
为了解决气液两相流下模拟驱动方式时流量管发生停振的问题，本发明基于现有的科氏质量流量计模拟驱动电路的框架，重新设计了模拟驱动电路的结构，发明了一种倍数可调的电压放大电路，研制出一种新的模拟驱动电路。
本发明的具体技术解决方案是：
现有的科氏质量流量计模拟驱动电路由电压跟随电路、放大滤波电路、乘法电路、电压放大电路、功率放大电路、精密整流电路、增益控制电路和驱动保护电路这八个电路环节组成。其中，电压跟随电路由低噪声、高精度运算放大器与分立电阻组成，对流量管振动信号进行跟随，起到阻抗匹配的作用；放大滤波电路由运算放大器与分立的电阻、电容元件组成，滤除工业现场产生的高频干扰噪声；精密整流电路由精密运放与齐纳式二极管组成，并与后级分立的电阻、电容元件组成滤波电路，形成流量管振动信号的幅值信息；增益控制电路由运算放大器与分立电阻元件组成，根据得到的流量管振动信号的幅值信息来控制、调节驱动信号的幅值大小；乘法电路由模拟乘法器与分立电阻元件组成，得到幅值可控的驱动源信号；电压放大电路由运算放大器与分立的电阻元件组成，对驱动源信号进行电压放大；功率放大电路由功率放大器与分立的电阻元件组成，对驱动源信号进行功率放大，以得到高电压、大电流的驱动信号，维持流量管的正常振动。驱动保护电路由运算放大器与分立的电阻元件组成，在流量管振动幅值大于设定的阈值时，能够减小电压放大电路的放大倍数，限制驱动信号的幅值，间接地保护流量管不受损坏。
然而，上述已被广泛应用的科氏质量流量计模拟驱动电路，在气液两相流发生时，无法正常驱动流量管，造成流量管停振，其主要原因为：目前的模拟驱动电路幅值增益控制不合理，流量管振动幅值逐渐降低时，驱动信号幅值先增加后减少。在气液两相流发生时，流量管的阻尼比增大，振动幅值减小，此时驱动信号幅值经过短暂的增加后开始减小，从而造成流量管振动幅值进一步减小，最终停振。
本发明针对上述问题，重新设计了模拟驱动电路的结构，在电路中增加了倍数可调的电压放大电路，当气液两相流发生时，保证驱动电路一直以最大幅值输出驱动信号，从而解决模拟驱动下流量管停振的问题。
本发明专利的优点是：
采用新型模拟驱动电路的变送器，可以解决科氏质量流量传感器的流量管在气液两相流发生时停振的问题。在气液两相流存在的情况下，一方面可以避免使用数字驱动，降低变送器的硬件成本，另一方面可以扩大变送器计算算法的选择范围。
附图说明
图1是现有的模拟驱动电路硬件组成框图；
图2是现有的电压跟随电路原理图；
图3是现有的放大滤波电路原理图；
图4是现有的精密整流电路原理图；
图5是现有的增益控制电路原理图；
图6是现有的乘法电路原理图；
图7是现有的驱动保护和电压放大电路原理图；
图8是现有的功率放大电路原理图；
图9是现有的模拟驱动电路输入、输出关系；
图10是本发明的新型模拟驱动电路硬件组成框图；
图11是本发明的倍数可调的电压放大电路原理图；
图12是本发明的新型模拟驱动电路输入、输出关系；
图13是科氏质量流量计气液两相流实验装置框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是现有的模拟驱动电路硬件组成框图。模拟驱动电路由电压跟随、放大滤波、乘法电路、电压放大、功率放大、精密整流、增益控制和驱动保护这八个部分组成。流量管振动信号经过电压跟随和放大滤波后分为两路，对其中一路信号进行精密整流，得到流量管振动信号的幅值信息，再经过后级的增益控制部分得到驱动源信号所需要的增益，然后，送入乘法电路的一端；另一路信号直接送入乘法电路的另一端。两路信号经过乘法电路后，输出所需的驱动源信号。该驱动源信号经过后级的电压放大和功率放大后，得到加在驱动线圈两端的驱动信号。为了避免驱动信号过大而损坏流量管，在模拟驱动电路中设置了驱动保护电路。当流量管振动信号幅值超过预先设置的阈值电压后，驱动保护电路使电压放大部分的增益减小，从而限制驱动信号的幅值，间接地保护流量管不受损坏。
图2是现有的电压跟随电路原理图。针对流量管振动信号幅值低(仅为毫伏级)的特点，采用低噪声、高精密运算放大器组成电压跟随电路，利用运算放大器高输入阻抗、低输出阻抗的特性，对拾振线圈输出的信号进行阻抗匹配。
图3是现有的放大滤波电路原理图。运算放大器U1B与电阻R1、R3组成反相放大器，对信号进行一级放大。电容C5与电阻R6构成无源高通滤波器电路，主要对输入信号进行隔直。反馈电容C1的设置既可构成低通滤波器，对信号进行低通滤波，又对运算放大器起到零点补偿的作用，保证了运算放大器正常工作的稳定性。
图4是现有的精密整流电路原理图。电路工作时，流量管振动信号的放大信号Vin从电阻R4的左端输入。由于该信号属于交流信号，所以，需要将该信号分为正负半周进行分析。当Vin处于正半周时，二极管D2导通，D1截止。根据叠加定理，此时输入、输出的关系为：
TPE＝-2(-Vin)+(-Vin)＝Vin (1)
由式(1)可知，此时输出信号TPE跟随输入信号Vin。
同理，当Vin处于负半周时，二极管D2截止，D1导通。根据叠加定理，此时输入、输出的关系为：
TPE＝-Vin (2)
由式(2)可知，此时输出信号TPE与输入信号Vin反相。
综上所述，当输入信号为正时，电路输出与输入相同；当输入信号为负时，输出信号等于输入信号的绝对值，所以，该电路具有整流的作用。另外，在图4中，电阻R10、电容C10与运算放大器U2B组成低通滤波器电路，对整流后的波形再进行滤波，使整个电路的输出为输入信号的有效值。
图5是现有的增益控制电路原理图。电阻R2、R5与可变电阻器W1组成目标幅值调节电路，通过调节W1的阻值大小，可得到不同的分压值Vref。精密整流电路的输出TPE接至电阻R7的左端。为简化分析过程，在不考虑反馈滤波电容C11的前提下，按照运算放大器虚短和虚断的特性，可得如下关系：
所以，输入、输出满足下述关系：
从式(4)中不难看出，输出信号Vout随输入信号TPE的变化而发生反向变化。因此，当输入信号较大时，增益控制电路输出较小的增益；当输入信号较小时，增益控制电路输出较大的增益，从而维持流量管的稳幅振动。
图6是现有的乘法电路原理图。模拟乘法器U7(AD633JR)的X端信号来自于图5中的Vout，Y端信号来自于放大滤波电路后的信号，经过乘法运算后，W端输出驱动源信号。运算放大器U3B与分立电阻R38和R39构成同相放大电路，对输出的驱动源信号作进一步的放大。电容C27与电阻R36构成无源高通滤波器，在滤除输出信号直流分量的同时，也为运放U3B输入引脚的电流提供了回流路径，保证了该同相放大电路的正常工作。
图7是现有的驱动保护和电压放大电路原理图。该部分电路的作用是保证流量管不因振动过强而造成损坏。在9V电压的作用下，电阻R22与R25的分压(其电压值定义为流量管振动幅值的阈值)接至运放U5A的正向输入端。精密整流电路的输出TPE接至电阻R28的左端，R28和C25构成低通滤波器，对信号TPE进行滤波后接至U5A的反向输入端。当TPE未达到阈值时，MOS管Q2处于导通状态，此时由运算放大器U5B和分立电阻R21、R23构成同相放大电路，放大倍数为2倍；当达到或超过阈值时，运算放大器U5A的输出电压为负，MOS管Q2处于截止状态，此时运放U5B与分立电阻R23构成同相电压跟随电路，放大倍数减小为1倍，从而达到减小驱动电压和保护流量管的目的。在实际电路中，R22的电阻值为20K，R25的电阻值为7.5K，在9V电压下的分压值为2.45V。在一般情况下，流量管振动幅值都在正常的范围，TPE不会达到该阈值，因此，该部分电路的功能基本上是电压跟随。
图8是现有的功率放大电路原理图。大电流输出运算放大器U6(OPA551)、分立电阻R35、R37构成反相放大器，对输入信号进行功率放大；电阻R29与电容C21组成无源高通滤波器，在滤除待放大信号直流分量的同时，也为运放U6输入引脚的电流提供了回流路径，保证了该反向放大电路的正常工作。待放大的信号从IN处输入，经过反相放大器放大后，从Drive+端输出。Drive+端直接接至科氏质量流量传感器的驱动线圈正端，驱动线圈的负端接变送器的地电平。
图9是现有的模拟驱动电路输入、输出关系。根据图1至图8中现有模拟驱动电路硬件组成框图以及各部分电路原理图，可以推导出现有的模拟驱动电路输入、输出关系。先假设电压跟随电路的放大倍数为K1；放大滤波电路的幅频响应为F(ω)；精密整流电路的输出直流分量为输入交流信号有效值的0.9倍，输出的其他谐波分量经过充分的滤波后幅值很小，忽略不计；增益控制电路的输入、输出关系如式(4)所示，设为K2；乘法电路的输出是两个输入乘积的0.1倍；在流量管正常振动时，驱动保护电路不起作用，电压放大电路的放大倍数为定值，本次分析默认为2；功率放大电路在放大驱动电流的同时，也放大驱动电压，电压放大倍数为K3。模拟驱动电路的输出Vd和输入Vs的关系为：
式中，
根据式(5)可以绘制出现有的模拟驱动电路输入、输出关系曲线，如图9中的曲线1。对于流量管来说，其受到的驱动信号幅值和本身的振动幅值是线性关系，如图9中的直线1和直线2。在单相流情况下，需要较低的驱动信号幅值即可以驱动流量管在较高的幅值下振动，因此直线的斜率小，如图9中的直线1；在气液两相流发生时，流量管阻尼比变大，相同驱动信号幅值下，流量管的振动幅值较小，因此，直线的斜率大，如图9中的直线2。单相流时，直线1和曲线1有一个交点P1，该点是模拟驱动电路匹配流量管的稳态振动点，也就是说，最终流量管的振动幅值是Vs1，驱动信号幅值是Vd1。气液两相流时，直线2的斜率过大，与曲线1不存在一个稳定的交点，即流量管在任意幅值下振动时，驱动电路所提供的驱动信号幅值都不足以驱动流量管，因此，流量管发生停振。
图10是本发明的新型模拟驱动电路硬件组成框图。该模拟驱动电路由电压跟随、放大滤波、倍数可调的电压放大电路1、乘法电路、倍数可调的电压放大电路2、功率放大、精密整流、以及增益控制这八个部分组成。与现有的模拟驱动电路相比，本发明的模拟驱动电路删除了驱动保护和电压放大部分，增加了两个倍数可调的电压放大电路，分别放置在放大滤波和乘法电路后面。
图11是本发明使用的倍数可调的电压放大电路原理图(倍数可调的电压放大电路1与倍数可调的电压放大电路2的结构和参数相同)。该电路包括放大倍数控制电路和正向电压放大电路两部分。该电路由正负9V电源供电，其中，放大倍数控制电路由高精度、低温漂运算放大器U4A(OPA2277)和外围的电阻、电容组成，电阻包括R15、R17、R18和R19，电容包括C13、C15和C16。R18和C16构成的无源低通滤波器电路，对控制信号TPE进行低通滤波后接至U4A的反向输入端，其滤波器截止频率由和R18和C16共同决定。在9V电源电压下，R15和R19的分压信号进入U4A的正向输入端，将该分压信号的电压值定义为Vt。该电压值的选择依据模拟驱动电路输入、输出关系，对应于图9中的电阻R17为运算放大器U4A输出引脚匹配电阻，用于减小输出信号的振荡。电容C13和C15为运算放大器电源引脚的退耦电容，一方面对电源信号进行滤波，另一方面防止运算放大器内部的噪声耦合到电源中影响其他芯片的工作。
正向电压放大电路由高精度、低温漂运算放大器U4B(OPA2277)、MOS管Q1(MMBF5457)和外围的电阻、电容组成，电阻包括R14、R16和R20，电容包括C12和C14。C14和R20构成的无源高通滤波器电路，一方面滤除待放大信号的直流分量，另一方面也为运放U4B的输入引脚提供了回流路径，其滤波器截止频率由C14和R20共同决定。待放大信号经过C14和R20构成的无源高通滤波器后进入U4B的正向输入端。电容C12、运算放大器U4B、电阻R16又构成有源低通滤波器，对放大的信号进行滤波，其截止频率由R16和C12共同决定。当TPE小于Vt时，U4A输出高电平，Q1导通，正向放大电路放大倍数为当TPE大于Vt时，U4A输出低电平，Q1不导通，正向放大电路的放大倍数为1。
图12是本发明的新型模拟驱动电路输入、输出关系。设图11中U4A的正向输入电压Vt对应的流量管振动信号幅值为Vq。当流量管振动信号幅值大于Vq时，倍数可调的电压放大电路1和2的放大倍数均为1，本发明的模拟驱动电路输入、输出关系曲线和现有的模拟驱动电路输入、输出关系曲线相同，如图12中曲线1的实线部分；当流量管振动信号幅值小于Vq时，倍数可调的电压放大电路1和2的放大倍数均为即整个电路的放大倍数增大了倍。根据公式(5)和式(9)可知，模拟驱动电路输入、输出关系曲线的最大值与整个电路的放大倍数成正比，同时，模拟驱动电路最大输出电压Vmax受到功率放大电路的最大输出电压限制。因此，当流量管振动信号幅值小于Vq时，本发明模拟驱动电路输入、输出关系曲线如图12中曲线2和直线3的实线部分。综合上述两种情况，本发明的模拟驱动电路输入、输出关系曲线由曲线1、曲线2、直线3和直线4的实线部分组成。
在单相流情况下，流量管本身的驱动信号幅值和振动幅值关系如直线1所示，与模拟驱动电路输入、输出曲线存在稳态交点P1，工作状态与现有的模拟驱动电路匹配流量管工作状态一致；当气液两相流发生时，流量管本身的驱动信号幅值和振动幅值关系如直线2所示，与模拟驱动电路输入、输出曲线存在稳态交点P2，此时，模拟驱动电路驱动信号幅值为Vmax，流量管振动信号幅值为Vs2，依然可以保证流量管振动。
图13是科氏质量流量计气液两相流实验装置框图。该装置主要由水箱、水泵、空压机、科氏质量流量传感器、科氏质量流量变送器、气体浮子流量计、阀门及管道等组成。管道下游安装一台Micro Motion公司生产的科氏质量流量传感器，型号为CMF025，该传感器作为本次实验的对象，匹配本发明研制的科氏质量流量变送器。
为了对本发明的有效性进行验证，在该装置上进行气液两相流下现有的模拟驱动电路和新型模拟驱动电路驱动流量管的对比实验。首先将基于现有模拟驱动电路的科氏质量流量变送器驱动参数与CMF025传感器匹配，并按流量管的最佳振动幅值调整好信号调理电路中的放大倍数。参数设置好以后，变送器上电，此时流量管正常起振。然后使用阀门1和阀门3调整流量管内的水流量为10.8kg/min，再分别使用气体浮子流量计调节气体流量为0.2L/min、0.6L/min和1L/min，打开阀门2后再打开三通阀，使流量管中的介质为气液两相流状态。实验过程中，使用Tektronix DPO4054四通道数字示波器观察并采集现有模拟驱动电路驱动信号和流量管振动信号。为了同时将单相流和气液两相流下的驱动情况进行对比，一共采集了4组数据，分别是单相流以及气体流量为0.2L/min、0.6L/min和1L/min时的驱动信号和流量管振动信号。对采集的数据进行离线处理，得到不同气体流量下，现有模拟驱动电路驱动流量管时驱动信号峰峰值和流量管振动信号峰峰值，如表1所示。
表1现有模拟驱动电路驱动实验结果
从实验结果可以看出：在单相流情况下，现有模拟驱动电路驱动流量管时，驱动信号峰峰值为4.5295Vpp，流量管振动信号峰峰值为4.2855Vpp，流量管振动信号在合适的幅值范围内；在气液两相流情况下，现有模拟驱动电路的驱动信号峰峰值小于0.8V，流量管振动信号峰峰值小于0.04V，基本上和现场噪声在一个数量级上，因此，流量管发生了停振。
与上述实验步骤相同，得到新型模拟驱动电路驱动流量管的驱动信号峰峰值和流量管振动信号峰峰值，如表2所示。
表2新型模拟驱动电路驱动实验结果
从实验结果可以看出：在单相流情况下，新型模拟驱动电路驱动流量管时，驱动信号峰峰值为3.9690Vpp，流量管振动信号峰峰值为4.2390Vpp，实验结果基本上和现有模拟驱动电路驱动流量管时保持一致；在气液两相流情况下，新型模拟驱动电路的驱动信号峰峰值一直保持在14.8Vpp左右，流量管振动信号峰峰值基本上大于300mVpp，因此，流量管依然保持振动。此时，流量管振动幅值较低的根本原因是驱动能量不足。
由表1与表2实验数据对比可知，在气液两相流发生时，现有的模拟驱动电路由于增益控制不合理，流量管发生了停振，而新型模拟驱动电路依然在最大幅值下输出驱动信号，保持流量管的振动，从而为科氏质量流量计的测量工作提供了基础。实验结果的对比验证了本发明的有效性。