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科里奥利质量皇冠计激振电路的组成以及仿真实验


科里奥利质量皇冠计激振电路的组成以及仿真实验,科里奥利质量皇冠计(以下简称科氏皇冠计)由测量管(又称振动管)、传感器、信号处理系统和激振系统组成。其基本原理是:流体流过测量管时,如果测量管以某一频率振动,则振动的测量管相当于一个匀速转动的参考系,由于流体与测量管具有相对运动,所以流体将受到科里奥利力的作用。这个力作用在U形测量管两直边上的方向是相反的,使得U形管发生扭曲,流体的质量皇冠与这个扭转角是成正比的,因此只要测出这个扭转角,就可以得到流体的质量皇冠。激振系统是科氏皇冠计的一个重要组成部分,它由机械部分(线圈和磁铁)和电路部分组成。激振系统从安装在测量管上的磁电式速度传感器中取出信号,经过必要的处理,再将信号送到激励线圈,使测量管以其固有频率持续振动。笔者研制了激振系统的电路,并进行了实验。本文介绍其特性、原理、组成以及仿真和实验结果。

       
1 激振电路的特性
1.1 保持测量管的振幅恒定
磁电式传感器输出的电压信号                                            
或                                                                                                             
式中 B——磁场气隙磁感应强度
l——线圈导线的总长度
S——线圈所包围的面积
v——线圈和磁铁间相对直线运动的线速度
ω——线圈和磁铁间的相对旋转运动的角速度
在某一固定的传感器中,B、l、S为确定的值,因此其输出的电压信号正比于线圈与磁场的相对运动速度。科氏质量皇冠计的测量管以一定的频率振动,其角速度是一正弦规律变化的信号。故由磁电传感器输出的信号也是一正弦信号,其频率ω′为角速度ω的变化频率,而其大小正比于角速度的大小。根据科氏力的原理,可以推导出流过皇冠计的瞬时皇冠为
式中 ω——管子振动的角速度
Ks——U型管的扭转弹性模量
r——U型管弯曲部分的半径
L——U型管直管段的长度
θ——U型管产生的扭转角
由于θ的存在,使得U型管的两直管边通过某一点时存在一个时间差。为简便起见,取振动中心为参考点。则此时的角速度ω0应处于最大值,即

因此,在U型管的两直管边处安装磁电式传感器,测出其两路信号的相位差及信号的峰值,即可计算出皇冠计的质量皇冠qm。而为了保证信号处理的精度,必须保持管子的振动幅度恒定,可用增益自动控制电路来调节激励信号的幅度。
1.2 能够跟踪管子固有频率的变化
通常除了测量质量和皇冠之外,密度也是科氏质量皇冠计的一个必测量。与流体相接触的振动体的固有振动频率随流体的密度变化而变化。在有流体流过而不考虑温度变化时,则流体的密度与科氏皇冠计的固有频率的平方成反比。要准确地测得密度,先必须测得准确的固有频率。而固有频率只有反映到振动频率时才能够被测量。故必须使激振系统能够跟踪管子的固有频率的变化,并且以管子的固有频率去驱动测量管。

2 激振原理

振动系统的幅频特性为:当激励频率f远小于系统的固有频率fR时,振动幅度几乎为常数,且幅值非常小。当f逐渐增大至接近fR时,振幅开始上升,在f非常接近fR时,幅度的上升非常快。在自然频率fR处,幅度达到尖峰。激励频率f继续增大,则幅度又很快降低至一个相对来说较小的值[1]。振动系统的相频特性为:当激励频率f远小于固有频率fR时,振动系统可以无延迟的跟踪驱动力;即驱动力与振动运动间的相位移为0。当f逐渐增大至接近fR时,振动系统开始落后于驱动力;在自然频率fR处,二者间的相位移达到-90°,负号表示振动的相位滞后。激励频率增大的越多,相位滞后也越大,当激励频率略大于自然振动频率fR时,相位滞后已达到- 180°,并且激励频率再增大时,相位滞后也保持这一数值不变[2,3]。
在科式皇冠计中,激振系统的永久磁铁安装在一根测量管上,线圈安装在另一根管子上,振动器使U形管象音叉似地振动,其频率一般是100 Hz左右,振幅约为1 mm。激振系统中的线圈、磁铁与测量管和传感器构成了完整的振动系统,其中,测量管的质量远大于其它部件的质量。激振信号来自速度传感器,经过一系列处理再对管子进行驱动。这实际上是一个自激系统,当流体密度变化时,振动系统的固有频率会发生变化,由于系统的自激特性,振动频率将跟踪固有频率的变化。因而该系统很容易满足上述的幅频条件,同时这也说明通过频率跟踪可以检测其固有频率的变化,即密度的变化。上述的相频关系分析是对位移信号而言的,所用的是磁电式速度传感器,其输出为速度信号,由于位移与速度之间本身就存在90°的相位差,故可以自行满足相频要求。
3 组成部分
研制的激振电路的组成部分如图1所示。由速度传感器出来的电压信号频率在75~150 Hz之间,幅值大约为0.3 V,为了提高带负载能力,先使信号经过一个电压跟随电路;然后进行初步放大,再进入低通滤波电路,滤掉其中的高频成分,得到的信号经过一个精密线性全波整流电路,便得到一近似为恒定值的直流信号,该直流信号一方面作为直流增益控制信号,另一方面也是安全振动保护电路的动态输入电压。从直流增益控制电路出来的信号与由速度传感器出来的信号相乘,实现用增益控制信号控制激励信号的幅值;二者相乘得到的信号经过电压及功率放大,送到激励线圈,对振动系统进行驱动[4,5]。
4 仿真和实验结果
4.1 仿真结果
根据以上处理思路,用EDA仿真软件进行仿真,其结果如图2所示。图2中,曲线1为磁电传感器的信号us,幅值为0.3 mV,频率为100 Hz,曲线2为低通滤波电路的输出信号uf,曲线3为精密线性全波整流电路的输出信号ur,曲线4为乘法电路的输出信号um,曲线5为激振电路的输出信号ud。
改变信号的频率及幅值,继续进行仿真,结果表明当输入信号很小时,由于振动过强保护电路不起作用,信号的放大倍数很大,因而激励电路的输出信号比较大,从而使测量管迅速起振。而当信号逐渐增大至一定值时,保护电路发生作用,限制了乘法器后一级的增益,使得激励电路的输出被限定在一定的范围内;同时,自动增益控制电路的存在使得激励电路能随着传感器输出信号的变化自动调节增益,从而使测量管的振动趋于稳定。仿真结果表明,该电路能够跟踪信号频率的变化,并可以调节放大倍数达到稳幅的作用。
4.2 实验结果
采用自行研制的驱动电路进行实验。在实验过程中,将该激振系统与一次仪表(型号为Bopp &Reuther System RHM15)相连。一次仪表的传感器输出端子接至激振系统的输入,而激振系统的输出端子接至一次仪表的驱动线圈。然后用示波器观察磁电式传感器的输出信号us和驱动电路的输出信号ud。在接通电源的初期,测量管的振动很微弱,us和ud都很小,随着时间的增加,测量管的振动很快加强,经过一段时间之后,测量管的振动达到稳定,信号us和ud也不再变化,其中,us= 0.45V(Vp-p),ud=12.19V(Vp-p)。这与用EDA进行仿真的结果基本一致。此时如果给测量管以外来的干扰(比如人为的拍击),则管子的振动会在瞬间偏离原来的振动状态,但在极短的时间内又会恢复到原有的稳定状态。这说明该激振系统具有较强的抗干扰能力,能够实现使系统按照固有频率振动的目的。
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