專利名稱：一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于質量流量的測量技術領域，具體涉及一種用于科氏質量流量計的副振 動反饋控制裝置。
背景技術：
科氏質量流量計(Corioils Mass Flowmeter，CMF)是一種工作于諧振狀態的直接 質量流量測量儀表，可以同時精確地測量質量流量和流體密度，被廣泛應用于工業領域。經 過二十多年的應用和改進，科氏質量流量計已經發展出了多個系列，如圖1所示，圖中(a) 為U形管、(b)為單雙環管、(c)為S形管、(d)為OMG形管、(e)為B形管、(f)為雙直管， 參見參考文獻[1]紀愛敏，李川奇，沈連官，尹協振.科里奧利質量流量計研究現狀及發展 趨勢[J].儀表技術與傳感器，2001，(6) :1。最為常見的雙U型管科氏質量流量計，如圖2所示，流體流入科氏質量流量計11 后被分流器分到兩個對稱的U型測量管3中，測量管3上設置有激振器4，用來為測量管3 的振動提供激振力，在激振器4的激勵下使測量管3在某一頻率下(一般是測量管3的一 階固有頻率)做諧振運動，這個振動被稱為主振動。主振動會讓測量管3具有正弦變化的 角速度，且與流體流動方向成一定角度，使得流體受迫與測量管3 —起振動，同時也會受到 科氏力的作用。科氏力方向與流體方向相關，因此U型測量管3的兩側受到的科氏力方向 相反，這就產生了一個作用在測量管3上的力矩，稱為科氏力矩或副振動扭轉力矩。由于科 氏力的大小、方向也與測量管3振動速度有關，因此科氏力矩也是隨主振動成正弦變化振 動的力矩，這個力矩所造成的振動被稱為副振動或科氏扭轉振動。副振動幅值與流過的質 量流量成正比。參見參考文獻[2]樊尚春，劉廣玉.新型傳感技術及應用[M].北京中國 電力出版社，2005。通常測量副振動的方法是在測量管3上安裝兩個速度傳感器，即第一速度傳感器 1、第二速度傳感器2，用來敏感測量管3的振動狀態。當測量管3中有流體流過時，副振動 與主振動的疊加會使測量點處的振動相位提前或滯后，質量流量越大，相位改變的越大，且 在一定范圍內是近似線性的。通過比較兩個測量點的相位差，就可以得到質量流量。然而由于科氏質量流量計11工作原理上的原因，導致科氏質量流量計11在流量 較大，即科氏扭轉幅值較大時，輸出相位差與流量大小間的線性關系越來越弱，制約了它的 量程；而且較強烈的科氏扭轉振動也會產生結構耦合振動，對科氏質量流量計11的測量產 生影響，降低了科氏質量流量計11的使用壽命。

發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提出一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制 裝置，該裝置能夠抵消科氏質量流量計的副振動扭轉力矩，也對減小科氏質量流量計的耦 合振動有積極意義。本發明提供的用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，包括一個科氏質量流量計，科氏質量流量計自帶兩個速度傳感器和一個激勵器，在所述科氏流量計上安裝有兩 個線圈和兩個柱型磁鋼；所述兩個線圈分別固定在兩個速度傳感器測量點上，線圈和速度 傳感器之間連接有科氏扭轉控制電路。兩個線圈接收科氏扭轉控制電路發送來的控制力矩 線圈的電流信號，平衡科氏質量流量計的副振動扭轉力矩；柱型磁鋼一端置于線圈骨架的 空心內，另一端連接在科氏質量流量計的殼體上，或者連接在測量管上。所述科氏扭轉控制電路包括輸入信號調理電路、輸出信號調理電路、A/D轉換電 路、D/A轉換電路和單片機；其中，輸入信號調理電路與兩個速度傳感器相連，輸出信號調 理電路與兩個線圈相連； 輸入信號調理電路用來對兩路速度傳感器輸出振動速度電壓信號進行模擬濾波、 放大與轉換，并將處理后的兩路模擬振動速度電壓信號發送給A/D轉換電路；A/D轉換電路將兩路處理后的兩路模擬振動速度電壓信號轉換成兩路振動速度數 字信號，發送給單片機；單片機接收到經A/D轉換過的兩路振動速度的數字信號，對該信號進行處理，最 終得到數字形式的力矩控制信號，將此信號發送給D/A轉換電路；D/A轉換電路將收到的數字形式的力矩控制信號進行數模轉換處理，并將轉換后 的模擬形式的力矩控制信號發送給輸出信號調理電路；輸出信號調理電路將收到的模擬形式的力矩控制信號進行模擬濾波、放大與轉換 并將其反向，得到的反向信號與未反向的信號就為一對線圈的電流信號，將反向的電流信 號發送給其中一個線圈，將未反向的信號發送給另一個線圈，使得兩個線圈產生磁場，兩柱 型磁鋼在磁場的作用下沿柱型磁鋼的軸線與線圈的軸線方向產生與科氏質量流量計的副 振動扭轉力矩相反的力矩，由此能夠抵消科氏質量流量計的副振動扭轉力矩，并且，通過測 量控制線圈的電流信號的幅值，就可實時地得到科氏質量流量計的流量信息。由控制線圈 的電流信號的幅值與控制力矩的線性關系，以及副振動扭轉力矩幅值和質量流量大小的線 性關系可知，理論上在任意范圍內，線圈的電流信號的幅值都是隨質量流量大小線性變化 的，這就等于將科氏質量流量計的量程擴展至無限大。同時，抵消掉副振動也對減小科氏質 量流量計的耦合振動有積極意義。本發明的優點在于1、本發明提供的用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，通過檢測控制信號 幅值就可獲得流量大小；2、本發明提供的用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，可大幅擴展科氏質
量流量計量程；3、本發明提供的用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，可減小科氏質量流 量計耦合振動。


圖1為現有技術中幾種科氏質量流量計外形結構意圖；圖2為傳統雙U型管科氏質量流量計結構示意圖；圖3為本發明副振動反饋控制裝置在單直管科氏質量流量計上連接示意圖；圖4為本發明副振動反饋控制裝置應用于雙直管科氏質量流量計上連接示意圖5為本發明副振動反饋控制裝置應用于單彎管科氏質量流量計上連接示意圖；圖6為本發明副振動反饋控制裝置在雙U型管科氏質量流量計上連接示意圖；圖7為本發明副振動反饋控制裝置中速度傳感器、線圈、柱型磁鋼、固定梁在雙U 型管科氏質量流量計上連接示意圖；
圖8為本發明副振動反饋控制裝置應用于雙U型管科氏質量流量計上線圈、柱型 磁鋼、固定梁連接示意圖；圖9為單片機對經A/D轉換電路轉換后的兩路振動速度的數字信號的處理過程流 程圖；圖10為相位差曲線圖；圖11為本發明基信號合成部分流程圖；圖12為頻率相位關系曲線圖；圖13為本發明基于FIFO寄存器的相位控制方法示意圖；圖14為本發明FIFO控制流程圖。圖中1-第一速度傳感器 2-第二速度傳感器 3-測量管4-激振器5-第一線圈6-第二線圈7-柱型磁鋼A8-柱型磁鋼B9_固定梁10-科氏扭轉控制電路 11-科氏質量流量計 12-A/D轉換電路13-輸入信號調理電路 14-輸出信號調理電路15-單片機16-D/A轉換電路17-殼體18-力傳導桿
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，包括一個科氏扭轉控制 電路10以及安裝在科氏質量流量計11上的第一線圈5、第二線圈6、柱型磁鋼A7、柱型磁鋼 B8。本發明適用于直管科氏質量流量計與彎管科氏質量流量計。如圖3所示，為本發明副振動反饋控制裝置在單直管科氏質量流量計上的安裝實 例，可見第一速度傳感器1與第二速度傳感器2安裝在測量管3的兩端，激振器4位于測量 管3中部，并將第一線圈5、第二線圈6分別固定在測量管3正對第一速度傳感器1與第二 速度傳感器2的一側，使第一線圈5與第二線圈6位于第一速度傳感器1與第二速度傳感器 2的測量點上，且第一線圈5與第二線圈6的軸線應與激振器4產生的振動方向平行。柱型 磁鋼A7與柱型磁鋼B8同極的一端分別置于第一線圈5與第二線圈6骨架的空心內，另一 端固定于科氏質量流量計11的殼體17上，柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的軸線分別與第一 線圈5、第二線圈6的軸線重合，且柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的穿入端與測量管3間留有 空隙，使柱型磁鋼A7、柱型磁鋼B8在第一線圈5、第二線圈6骨架空心內自由地沿柱型磁鋼 A7與柱型磁鋼B8的軸線以及第一線圈5、第二線圈6的軸線移動。科氏扭轉控制電路10 連接在第一線圈5和第二線圈6的輸入端與第一速度傳感器1與第二速度傳感器2的輸出 端之間，通過上述連接，由科氏扭轉控制電路10對第一線圈5、第二線圈6輸入控制電流信 號，產生的控制力矩就可平衡科氏質量流量計11的副振動扭轉力矩。
如圖4所示，為本發明副振動反饋控制裝置在雙直管科氏質量流量計上的安裝實 例，雙直管科氏質量流量計11具有兩個相互平行的測量管3，激振器4與兩測量管3中部連 接，激振器4兩側的每個測量管3上安裝有第一速度傳感器1和第二速度傳感器2，第一速 度傳感器1與第二速度傳感器2的測量點上安裝有第一線圈5與第二線圈6，且第一線圈5 與第二線圈6的軸線與激振器4產生的振動方向平行。柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8同極的 一端分別置于第一線圈5與第二線圈6骨架的空心內，另一端分別固定于與第一線圈5、第 二線圈6相對應的另一個測量管3上，所述的柱型磁鋼A7和柱型磁鋼B8也可以通過力傳 導桿固定于另一個測量管3上。柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的軸線分別與第一線圈5、第二 線圈6的軸線重合，且柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的穿入端與測量管3間留有空隙，使柱型 磁鋼A7、柱型磁鋼B8在第一線圈5、第二線圈6骨架空心內自由地沿柱型磁鋼A7與柱型磁 鋼B8的軸線以及第一 線圈5、第二線圈6的軸線移動。科氏扭轉控制電路10連接在第一線 圈5和第二線圈6的輸入端與第一速度傳感器1與第二速度傳感器2的輸出端之間。通過 上述連接，由科氏扭轉控制電路10對第一線圈5、第二線圈6通入控制電流信號，產生的控 制力矩就可平衡科氏質量流量計11的副振動扭轉力矩。如圖5所示，為本發明副振動反饋控制裝置在單彎管科氏質量流量計上的安裝實 例，由于測量管3為彎形管，因此在與測量管3水平軸對稱的兩段直管段之間連接有一固定 梁9，用來平衡科氏質量流量計11的副振動扭轉力矩。第一速度傳感器1與第二速度傳感 器2分別安裝在固定梁9的兩端所在的測量管3上，激振器4位于測量管3彎管處中部，第 一線圈5、第二線圈6分別位于第一速度傳感器1、第二速度傳感器2的測量點上，且第一線 圈5與第二線圈6的軸線與激振器4產生的振動方向平行。柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8同 極的一端分別置于第一線圈5與第二線圈6骨架的空心內，另一端固定于科氏質量流量計 11的殼體17上，柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的軸線分別與第一線圈5、第二線圈6的軸線 重合，且柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的穿入端與固定梁9間留有空隙，使柱型磁鋼A7、柱型 磁鋼B8在第一線圈5、第二線圈6骨架空心內自由地沿柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的軸線 以及第一線圈5、第二線圈6的軸線移動。科氏扭轉控制電路10連接在第一線圈5和第二 線圈6的輸入端與第一速度傳感器1與第二速度傳感器2的輸出端之間。通過上述連接， 由科氏扭轉控制電路10對第一線圈5、第二線圈6通入合適的控制電流，產生的控制力矩就 可平衡科氏質量流量計11的副振動扭轉力矩。如圖6、圖7、圖8所示為雙U型管科氏質量流量計的安裝實例，兩U型測量管3前 端彎管處固定連接有激振器4，兩U型測量管3共用一個激振器4。在每個U型測量管3的 直管段之間連接有一固定梁9，本實施例中固定梁9的兩端分別固定在兩個U型測量管3的 彎管與直管的連接處。如圖7所示，在兩固定梁9互為相反的一端上分別固定安裝有第一 線圈5、第二線圈6，使第一線圈5、第二線圈6分別位于第一速度傳感器1、第二速度傳感器 2的測量點上，且第一線圈5與第二線圈6的軸線與激振器4產生的振動方向平行。柱型磁 鋼A7與柱型磁鋼B8同極的一端分別置于第一線圈5與第二線圈6骨架的空心內，另一端 分別固定于與第一線圈5、第二線圈6相對應的固定梁9上，若兩測量管3間距過大，可通 過一力傳導桿18來連接柱型磁鋼B8(或柱型磁鋼A7)與固定梁9，如圖8所示。柱型磁鋼 A7與柱型磁鋼B8的軸線分別與第一線圈5、第二線圈6的軸線重合，且柱型磁鋼A7與柱型 磁鋼B8的穿入端與固定梁9間留有空隙，使柱型磁鋼A7、柱型磁鋼B8在第一線圈5、第二線圈6骨架空心內自由地沿柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8的軸線以及第一線圈5、第二線圈6 的軸線移動。科氏扭轉控制電路10連接在第一線圈5和第二線圈6的輸入端與第一速度 傳感器1與第二速度傳感器2的輸出端之間，通過上述連接，由科氏扭轉控制電路10對第 一線圈5、第二線圈6上通入合適的控制電流，產生的控制力矩就可平衡科氏質量流量計11 的副振動扭轉力矩。所述科氏扭轉控制電路10，用來獲取兩個速度傳感器的電壓信號并產生通往第一 線圈5與第二線圈6的電流信號。如圖6所示，科氏扭轉控制電路10包括輸入信號調理電 路13、輸出信號調理電路14、A/D轉換電路12、D/A轉換電路16、單片機15。其中，輸入信 號調理電路13通過導線與第一速度傳感器1、第二速度傳感器2的輸出端相連，輸出信號調 理電路14通過導線與第一線圈5與第二線圈6的輸入端相連。輸入信號調理電路13用來對第一速度傳感器1、第二速度傳感器2輸出振動速度 電壓信號進行模擬濾波、放大與轉換，并將調理后的兩路模擬振動速度電壓信號發送給A/D 轉換電路12。A/D轉換電路12將處理后的兩路模擬振動速度電壓信號轉換成兩路振動速度數 字信號，發送給單片機15。單片機15接收到經A/D轉換電路12轉換過的兩路振動速度數字信號，對該數字 信號進行處理，最終得到數字形式的力矩控制信號，將此信號發送給D/A轉換電路16。D/A轉換電路16將收到的數字形式的力矩控制信號進行數模轉換處理，并將轉換 后的模擬形式的力矩控制信號發送給輸出信號調理電路14。輸出信號調理電路14將收到的模擬形式的力矩控制信號進行濾波放大處理并將 其反向，得到的反向信號與未反向的信號就為一對控制第一線圈5與第二線圈6的電流信 號，將反向的電流信號發送給其中第一線圈5，將未反向的電流信號發送給第二線圈6，使 得第一線圈5與第二線圈6產生磁場，柱型磁鋼A7與柱型磁鋼B8在磁場的作用下沿柱型 磁鋼A7、柱型磁鋼B8的軸線與第一線圈5、第二線圈6的軸線方向產生與科氏質量流量計 11的副振動扭轉力矩相反的力矩，由此能夠抵消科氏質量流量計11的副振動扭轉力矩，并 且，通過測量第一線圈5、第二線圈6的電流信號的幅值，就可實時地得到科氏質量流量計 11的流量信息。由第一線圈5、第二線圈6的電流信號的幅值與控制力矩的線性關系，以及 副振動扭轉力矩幅值和質量流量大小的線性關系可知，理論上在任意范圍內，第一線圈5、 第二線圈6的電流信號的幅值都是隨質量流量大小線性變化的，這就等于將科氏質量流量 計11的量程擴展至無限大。同時，抵消掉副振動也對減小科氏質量流量計11的耦合振動 有積極意義。所述單片機15對經A/D轉換電路12轉換后的兩路振動速度數字信號的處理過 程，如圖9所示，分為七個步驟步驟1 對通過A/D轉換電路12轉換后的兩路振動速度數字信號的數據進行緩 存；步驟2 相位差解算；相位差的解算是對步驟1中緩存的兩路振動速度數字信號的數據進行曲線擬合， 本發明中相位差解算采用過零檢測法。如圖10所示，圖中“X”表示為一路振動速度數字 信號的數據曲線，“Δ”表示為另一路振動速度數字信號的數據曲線，在這兩路振動速度數字信號的數據過零點附近進行曲線擬合，求出擬合后的曲線與橫軸α軸)的交點，作為振 動速度數字信號的過零點，從而得到兩路振動速度數字信號的相位時間差Δ ΒΒ，η;(η = 0， 1,2,…)，其中，η為時刻序號。該相位時間差的大小與副振動力矩的控制誤差成正比。步驟3 合成基信號SUM ； 基信號的合成如圖11所示，Sl與S2為步驟1中存儲的兩路振動速度數字信號， 當緩存中存有足夠多的數據后，便將其調出進行FFT運算得出兩路振動速度數字信號的幅 值Al和A2以及信號的基頻Fre。由于第一速度傳感器1與第二速度傳感器2安裝位置是 對稱的，副振動在這兩點處有180°的相差，因此引入權數b = A1/A2，將兩路振動速度數字 信號Si、S2進行加權求和，權數b的作用是保證兩路振動速度數字信號在求和時具有相同 的幅值。加權求和后得到的信號SUM稱為基信號，基信號SUM受到副振動的影響很小，且與 Sl和S2具有相同的頻率，即科氏質量流量計11的驅動頻率，基信號SUM反映的是測量管3 主動振動的振動速度。步驟4 控制增益Gn+1的計算；令:G0= 0，Gn+1 = Gn+AtBB’n/F(n = 0，1，2，…)；其中，F代表的是由控制增益Gn到兩路振動速度信號的相位時間差Δ tBB，n間的增 益系數；步驟5 合成輸出控制信號序列Sc，；由于科氏質量流量計11采用速度傳感器來感受測量管3的振動，基信號SUM表征 的是測量管3某一點振動的實時速度，而該點的速度又與測量管3的振動角速度ω成正 比，因此可將基信號SUM信號乘以控制增益Gn+1后，得到了作為輸出控制信號序列的Sc，。步驟6 計算本發明副振動反饋控制裝置造成的延遲相位總和φ ；在進行A/D轉換、D/A轉換、數字濾波、信號檢測和幅值控制等過程中都會引入延 時，這些延時無法精確計算，但卻是固定的，將這些延時的總和設為Τ，對不同的基頻Fre， 延時T引入的相位差φ 2為:Φ 2=360ο · T · Fre。于是，由于輸入信號調理電路13與輸出 信號調理電路14會引入固定的相差φ ρ由此本發明副振動反饋控制裝置造成的延遲相位 總和為φ=φ ^cp2,延遲相位總和φ與基頻Fre的關系如圖12所示，該曲線可由實驗得到。步驟7 加入延遲相位φ c，獲得相位控制信號Sc。為了不使控制力矩因裝置的延遲相位總和φ而出現控制偏差，將Sc’依次讀進 FIFO，在FIFO加入延遲相位Cpc，使φ c+cp=n · 360°，其中n = 0，l，2，…，為了使裝置有 較好的實時性，一般取φ +φ c=360° ,即應使φ c=360° -φ。FIFO在加入延遲相位φ c后 輸出控制信號序列Sc。控制信號序列Sc即作為反饋回路的最終控制信號，此控制信號與副 振動扭轉力矩相位差為周期的整數倍，能夠精確地抵消副振動力矩。步驟4中所述的增益系數F是通過下述方法得到的當流量計充滿流體但沒有流速時，使流量計處于穩定的諧振工作狀態，設定控制 增益Gk(k= 1,2,3,…)為一非零值，k為設定次數，進行步驟5 步驟7，使在該控制增益 Gk下產生的信號作用于第一線圈5、第二線圈6，通過步驟1、2得到并記錄產生的兩路振動 速度數字信號的相位時間差AtBB，k。其中，利用最小二乘擬合Gk-AtBB，k，從而得到其斜率 為F。步驟7中所述的FIFO (First Input First Output)是一種先進先出的數據緩存器，它沒有外部地址線，只能順序寫入數據，順序讀出數據，其數據地址由內部讀指針和寫 指針自加1完成。如圖13所示，在本發明副振動反饋控制裝置中，FIFO有四個輸入信號與 兩個輸出信號，分別是fifo_in =FIFO緩存器的數據輸入，輸入信號為Sc，。fifo_clock :FIF0緩存器輸入時鐘信號，只有在時鐘信號的上升沿時FIFO才會進 行數據寫入或 讀出操作。rd_req:輸入的讀請求信號，有效時FIFO會在時鐘信號上升沿到來時讀出一個數 據，同時將讀指針自增1。wr_req 輸入的寫請求信號，有效時FIFO會在時鐘信號上升沿到來時寫入一個數 據，同時將寫指針自增1。fifo_out =FIFO緩存器數據輸出，輸出信號為Sc。fifo_usedw 輸出信號，表明在FIFO目前存有多少數據。在FIFO中加入的延遲的相位φ c可由fifo_usedw表征為
φ c=360° . iifo_usedw/Fc · Fre式中Fc為單片機時鐘頻率。設N為緩存器的目標值，即當FIFO中存儲到N個數據時(fifo_uSedw = N)，可使 輸出信號Sc滿足cpc=360° -φ，使副振動反饋控制裝置有較好的實時性。由此
360° -φ =360。· N/Fc · Fre得到
Ν=(1-φ/360°) · Fe/Fre通過實時比較N與f ifo_usedw數據，來控制re_req信號與wr_req信號的開與關， 從而控制FIFO中內存儲數據個數。如圖14所示，讀請求信號re_req與寫請求信號wr_req的控制過程為1、首先初始化時設定FIFO為不寫入與不讀出狀態，令re_req = 0，wr_req = 0 ；2、隨后比較fifo_usedw與N的值；當fif0_usedw = N時，說明對Sc，序列的延遲相位φ c正好為360° -φ ,這時將 FIFO的讀寫開關全都打開，re_req = 1，wr_req = 1，讓FIFO在一個時鐘周期內讀一個數 據同時寫一個數據，就可以保持fif0_usedW與N相等，即對控制信號序列Sc，的延遲相位
— φ的理想狀態。若fifo_usedw < N，則說明FIFO加入的延遲相位φ c小于360° — φ ,這時應將 FIFO設為只寫入不讀出的狀態，re_req = 1，wr_req = 0，讓fifo_usedw增大直到fifo_ usedw = N 為止。若fifo_usedw > N，則說明FIFO加入的延遲相位φ c大于360° — φ，這時應將 FIFO設為不寫入只讀出的狀態，re_req = 0，wr_req = 1，讓fifo_usedw減小直到fifo_ usedw = N 為止。
權利要求
一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，包括一個科氏質量流量計，科氏質量流量計自帶兩個速度傳感器，其特征在于在所述的科氏質量流量計上安裝有兩個線圈和兩個柱型磁鋼，所述的兩個線圈分別固定在兩個速度傳感器測量點上，線圈和速度傳感器之間連接有科氏扭轉控制電路，兩個線圈接收科氏扭轉控制電路發送來的控制線圈力矩的電流信號，平衡科氏質量流量計的副振動扭轉力矩；所述的柱型磁鋼一端置于線圈骨架的空心內，另一端連接在科氏質量流量計的殼體上，或連接在測量管上；所述科氏扭轉控制電路包括輸入信號調理電路、輸出信號調理電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和單片機；其中，輸入信號調理電路與兩個速度傳感器輸出端相連，輸出信號調理電路與兩個線圈輸入端相連；輸入信號調理電路用來對兩路速度傳感器輸出的振動速度電壓信號進行模擬濾波、放大與轉換，并將處理后的兩路模擬振動速度電壓信號發送給A/D轉換電路；A/D轉換電路將處理后的兩路模擬振動速度電壓信號轉換成兩路振動速度數字信號，發送給單片機；單片機接收到經A/D轉換過的兩路振動速度數字信號，對該振動速度數字信號進行處理，最終得到數字形式的力矩控制信號，將此力矩控制信號發送給D/A轉換電路；D/A轉換電路將收到的數字形式的力矩控制信號進行數模轉換處理，并將轉換后的模擬形式的力矩控制信號發送給輸出信號調理電路；輸出信號調理電路將收到的模擬形式的力矩控制信號進行模擬濾波、放大與轉換處理并將其反向，得到的反向信號與未反向信號就為一對控制力矩線圈的電流信號，將反向信號發送給其中一個線圈，將未反向信號發送給另一個線圈。
2.如權利要求1所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 所述的柱型磁鋼的另一端的固定方式分三種情況第一種，對于單直管科氏質量流量計與單彎管科氏質量流量計，所述柱型磁鋼另一端 固定于科氏流量計的殼體上；第二種，對于雙直管科氏質量流量計，柱型磁鋼另一端直接固定在與線圈相對應的另 一個測量管上或通過力傳導桿固定在與線圈相對應的另一個測量管上；第三種，對于雙彎管科氏質量流量計，柱型磁鋼另一端直接固定在固定梁上或通過力 傳導桿固定在固定梁上；所述的固定梁的兩端分別連接在雙彎管科氏質量流量計上線圈與 速度傳感器相對應的兩段測量管上。
3.如權利要求1所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 線圈的軸線與激振器產生的振動方向平行；柱型磁鋼的軸線與線圈的軸線重合，且柱型磁 鋼的穿入端與測量管間留有空隙，使柱型磁鋼在線圈骨架空心內自由地沿柱型磁鋼的軸線 與線圈的軸線移動。
4.如權利要求1所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 所述兩個柱型磁鋼置于線圈骨架的空心內一端的極性相同。
5.如權利要求1所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 所述單片機對經A/D轉換電路轉換后的兩路振動速度的數字信號的處理過程通過七個步 驟來完成步驟1 單片機將A/D轉換電路轉換后得到的兩路振動速度數字信號進行緩存；步驟2:解算相位時間差AtBB，n;相位時間差的解算是對步驟1中存儲的兩路振動速度數字信號S1、S2的數據進行曲線 擬合，得到兩路振動速度數字信號的相位時間差AtBB，n，其中n = 0,1,2,…； 步驟3 合成基信號SUM ；將步驟1中存儲的兩路振動速度數字信號SI、S2，調出進行FFT運算得出兩路振動速 度數字信號的幅值A1和A2以及信號的基頻Fre ；引入權數b = A1/A2，將兩路振動速度數 字信號S1、S2的幅值進行加權求和，加權求和后得到的信號SUM稱為基信號； 步驟4:計算控制增益Gn+1 ；令 G。= 0，Gn+1 = Gn+A tBB’n/F ；其中 n = 0，1，2，...；F代表的是由控制增益Gn到兩路振動速度信號的相位時間差AtBB，n間的增益系數； 步驟5 將基信號SUM乘以控制增益Gn+1后，得到輸出控制信號序列Sc，； 步驟6 計算延遲相位總和cp ；將進行A/D轉換、D/A轉換、數字濾波、信號檢測和幅值控制過程中的延時總和設為T， 對不同的基頻Fre，延時總和T引入的相位差cp 2為cp 2=360° T Fre,延遲相位總和為 cp =cp ！+cp 2;cp ！為輸入信號調理電路與輸出信號調理電路引入的固定相位差； 步驟7 加入延遲相位cp e,得到控制信號序列Sc ；將輸出控制信號序列Sc，依次讀進FIFO，在FIFO加入延遲相位cp c,使cp c+cp =360°， 加入延遲相位cp c后由FIFO輸出控制信號序列Sc。
6.如權利要求5所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 步驟2中相位差解算采用過零檢測法。
7.如權利要求5所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 步驟7中所述FIFO有四個輸入信號與兩個輸出信號，分別是fifo.in :FIF0緩存器的數據輸入，輸入信號為Sc，；fif0_cl0ck :FIF0緩存器輸入時鐘信號，只有在時鐘信號的上升沿時FIFO才會進行數 據寫入或讀出操作；rd_req:輸入的讀請求信號，有效時FIFO會在時鐘信號上升沿到來時讀出一個數據， 同時將讀指針自增1;wr_req:輸入的寫請求信號，有效時FIFO會在時鐘信號上升沿到來時寫入一個數據， 同時將寫指針自增1;fifo.out :FIF0緩存器數據輸出，輸出信號為Sc ； fifo_usedw 輸出信號，表明在FIFO目前存有多少數據。
8.如權利要求7所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 讀請求信號re_req與寫請求信號wr_req的控制過程為(a)首先初始化時設定FIFO為不寫入與不讀出狀態；(b)隨后，比較輸出信號fif0_usedW與N的值；當fifo_usedw = N時，說明對Sc，序列的延遲相位cp c正好為360° -cp，這時將FIFO 的讀寫開關全都打開，讓FIFO在一個時鐘周期內讀一個數據同時寫一個數據，保持fifo_ usedw與N相等，即對控制信號序列Sc，的延遲相位cp c為360° -cp的理想狀態；若fifo_ usedw < N，則說明FIFO加入的延遲相位cp c小于360° -cp，這時應將FIFO設為只寫入不讀出的狀態，讓f ifo_usedw增大直到f ifo_usedw = N為止；若fifo_usedw > N，則說明FIFO加入的延遲相位cp c大于360° -cp ,這時應將FIFO 設為不寫入只讀出的狀態，讓f ifo_usedW減小直到f ifo_uSedw = N為止；N為緩存器的目 標值。
9.如權利要求8所述一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，其特征在于 緩存器的目標值N滿足如下關系N=(l-cp/360° ) ■ Fc/Fre式中，Fc為單片機時鐘頻率。
全文摘要
本發明公開一種用于科氏質量流量計的副振動反饋控制裝置，包括安裝在科氏質量流量計上的兩個線圈、兩個柱型磁鋼。同時還包括一個科氏扭轉控制電路，用來從兩個速度傳感器上獲取電壓信號，通過輸入、輸出信號調理電路，A/D、D/A轉換電路和單片機，產生通往力矩線圈的電流信號，使得兩個線圈產生磁場，兩柱型磁鋼在磁場的作用下產生與科氏質量流量計的副振動扭轉力矩相反的力矩，從而抵消科氏質量流量計的副振動扭轉力矩。本發明通過檢測控制信號幅值就可獲得流量大小；可大幅擴展科氏質量流量計量程；可減小科氏質量流量計耦合振動。
文檔編號G01F1/84GK101840212SQ201010185229
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月27日 優先權日2010年5月27日
發明者姚鍇, 李帆, 樊尚春, 王婧, 趙建輝 申請人:北京航空航天大學