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      質量流量計

      科里奧利質量流量計激振電路的特性、原理、組成以及實驗

      科里奧利質量流量計激振電路的特性、原理、組成以及實驗,激振電路是科里奧利質量流量計的重要組成部分,作者研制了激振電路,分析了它的特性和原理,并進行了EDA仿真和實驗,結果表明,該激振電路能夠驅動測量管振動,并保持其振幅穩定,實現了振動頻率隨管子的固有振動頻率而變化的目的,從而達到了設計要求。

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      科里奧利質量流量計(以下簡稱科氏流量計)由測量管(又稱振動管)、傳感器、信號處理系統和激振系統組成。其基本原理是:流體流過測量管時,如果測量管以某一頻率振動,則振動的測量管相當于一個勻速轉動的參考系,由于流體與測量管具有相對運動,所以流體將受到科里奧利力的作用。這個力作用在U形測量管兩直邊上的方向是相反的,使得U形管發生扭曲,流體的質量流量與這個扭轉角是成正比的,因此只要測出這個扭轉角,就可以得到流體的質量流量。激振系統是科氏流量計的一個重要組成部分,它由機械部分(線圈和磁鐵)和電路部分組成。激振系統從安裝在測量管上的磁電式速度傳感器中取出信號,經過必要的處理,再將信號送到激勵線圈,使測量管以其固有頻率持續振動。筆者研制了激振系統的電路,并進行了實驗。本文介紹其特性、原理、組成以及仿真和實驗結果。

      1 激振電路的特性

      1.1 保持測量管的振幅恒定

      磁電式傳感器輸出的電壓信號

                                                                                                              

      式中 B——磁場氣隙磁感應強度

      l——線圈導線的總長度

      S——線圈所包圍的面積

      v——線圈和磁鐵間相對直線運動的線速度

      ω——線圈和磁鐵間的相對旋轉運動的角速度

      在某一固定的傳感器中,B、l、S為確定的值,因此其輸出的電壓信號正比于線圈與磁場的相對運動速度??剖腺|量流量計的測量管以一定的頻率振動,其角速度是一正弦規律變化的信號。故由磁電傳感器輸出的信號也是一正弦信號,其頻率ω′為角速度ω的變化頻率,而其大小正比于角速度的大小。根據科氏力的原理,可以推導出流過流量計的瞬時流量為

      式中 ω——管子振動的角速度

      Ks——U型管的扭轉彈性模量

      r—--U型管彎曲部分的半徑

      L——U型管直管段的長度

      θ——U型管產生的扭轉角

      由于θ的存在,使得U型管的兩直管邊通過某一點時存在一個時間差。為簡便起見,取振動中心為參考點。則此時的角速度ω0應處于大值,

      因此,在U型管的兩直管邊處安裝磁電式傳感器,測出其兩路信號的相位差及信號的峰值,即可計算出流量計的質量流量qm。而為了保證信號處理的精度,必須保持管子的振動幅度恒定,可用增益自動控制電路來調節激勵信號的幅度。

      1.2 能夠跟蹤管子固有頻率的變化

      通常除了測量質量和流量之外,密度也是科氏質量流量計的一個必測量。與流體相接觸的振動體的固有振動頻率隨流體的密度變化而變化。在有流體流過而不考慮溫度變化時,則流體的密度與科氏流量計的固有頻率的平方成反比。要準確地測得密度,先必須測得準確的固有頻率。而固有頻率只有反映到振動頻率時才能夠被測量。故必須使激振系統能夠跟蹤管子的固有頻率的變化,并且以管子的固有頻率去驅動測量管。

      2 激振原理

      振動系統的幅頻特性為:當激勵頻率f遠小于系統的固有頻率fR,振動幅度幾乎為常數,且幅值非常小。當f逐漸增大至接近fR,振幅開始上升,f非常接近fR,幅度的上升非???。在自然頻率fR,幅度達到尖峰。激勵頻率f繼續增大,則幅度又很快降低至一個相對來說較小的值[1]。振動系統的相頻特性為:當激勵頻率f遠小于固有頻率fR,振動系統可以無延遲的跟蹤驅動力;即驅動力與振動運動間的相位移為0。當f逐漸增大至接近fR,振動系統開始落后于驅動力;在自然頻率fR,二者間的相位移達到-90°,負號表示振動的相位滯后。激勵頻率增大的越多,相位滯后也越大,當激勵頻率略大于自然振動頻率fR,相位滯后已達到- 180°,并且激勵頻率再增大時,相位滯后也保持這一數值不變[2,3]。

      在科式流量計中,激振系統的永就磁鐵安裝在一根測量管上,線圈安裝在另一根管子上,振動器使U形管象音叉似地振動,其頻率一般是100 Hz左右,振幅約為1 mm。激振系統中的線圈、磁鐵與測量管和傳感器構成了完整的振動系統,其中,測量管的質量遠大于其它部件的質量。激振信號來自速度傳感器,經過一系列處理再對管子進行驅動。這實際上是一個自激系統,當流體密度變化時,振動系統的固有頻率會發生變化,由于系統的自激特性,振動頻率將跟蹤固有頻率的變化。因而該系統很容易滿足上述的幅頻條件,同時這也說明通過頻率跟蹤可以檢測其固有頻率的變化,即密度的變化。上述的相頻關系分析是對位移信號而言的,所用的是磁電式速度傳感器,其輸出為速度信號,由于位移與速度之間本身就存在90°的相位差,故可以自行滿足相頻要求。

      3 組成部分

      研制的激振電路的組成部分如圖1所示。由速度傳感器出來的電壓信號頻率在75150 Hz之間,幅值大約為0.3 V,為了提高帶負載能力,先使信號經過一個電壓跟隨電路;然后進行初步放大,再進入低通濾波電路,濾掉其中的高頻成分,得到的信號經過一個精密線性全波整流電路,便得到一近似為恒定值的直流信號,該直流信號一方面作為直流增益控制信號,另一方面也是安荃振動保護電路的動態輸入電壓。從直流增益控制電路出來的信號與由速度傳感器出來的信號相乘,實現用增益控制信號控制激勵信號的幅值;二者相乘得到的信號經過電壓及功率放大,送到激勵線圈,對振動系統進行驅動[4,5]。

      4 仿真和實驗結果

      4.1 仿真結果

      根據以上處理思路,用EDA仿真軟件進行仿真,其結果如圖2所示。圖2,曲線1為磁電傳感器的信號us,幅值為0.3 mV,頻率為100 Hz,曲線2為低通濾波電路的輸出信號uf,曲線3為精密線性全波整流電路的輸出信號ur,曲線4為乘法電路的輸出信號um,曲線5為激振電路的輸出信號ud。

      改變信號的頻率及幅值,繼續進行仿真,結果表明當輸入信號很小時,由于振動過強保護電路不起作用,信號的放大倍數很大,因而激勵電路的輸出信號比較大,從而使測量管迅速起振。而當信號逐漸增大至一定值時,保護電路發生作用,限制了乘法器后一及的增益,使得激勵電路的輸出被限定在一定的范圍內;同時,自動增益控制電路的存在使得激勵電路能隨著傳感器輸出信號的變化自動調節增益,從而使測量管的振動趨于穩定。仿真結果表明,該電路能夠跟蹤信號頻率的變化,并可以調節放大倍數達到穩幅的作用。

      4.2 實驗結果

      采用自行研制的驅動電路進行實驗。在實驗過程中,將該激振系統與一次儀表(型號為Bopp &Reuther System RHM15)相連。一次儀表的傳感器輸出端子接至激振系統的輸入,而激振系統的輸出端子接至一次儀表的驅動線圈。然后用示波器觀察磁電式傳感器的輸出信號us和驅動電路的輸出信號ud。在接通電源的初期,測量管的振動很微弱,usud都很小,隨著時間的增加,測量管的振動很快加強,經過一段時間之后,測量管的振動達到穩定,信號usud也不再變化,其中,us= 0.45V(Vp-p),ud=12.19V(Vp-p)。這與用EDA進行仿真的結果基本一致。此時如果給測量管以外來的干擾(比如人為的拍擊),則管子的振動會在瞬間偏離原來的振動狀態,但在極短的時間內又會恢復到原有的穩定狀態。這說明該激振系統具有較強的抗干擾能力,能夠實現使系統按照固有頻率振動的目的。

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