新型数字式科氏质量流量变送器

　　在流量测量技术中，科里奥利质量流量测量技术是一种近乎理想的技术，它也是迄今唯一在商用产品上实现的质量测量技术。科里奥利质量流量计（以下简称科氏质量流量计）可以精确地测量工业过程流量和流体密度，同时没有可动的机械部件以及带来的损耗，所以理论上它的使用寿命可以很长。在现代化学工业中，许多流量测量的应用中出现了以下的趋势：一些配方公给出的往往是原料的质量；对于一些昂贵的原材料需要十分精确的流量测量，以保证最小的浪费量；为了降低生产成本要求生产流程中各部件具有高度可靠性。这样，科氏质量流量计就自然而然地成为最好的选择。

　　科氏流量计发展初期出现过一些难题，比如一次仪表的制造要求苛刻，对外部振动的敏感等。但这些年来大都已经被生产厂家有效地解决了，加上其本身优点和测量性能的不断提高，使科氏质量流量计一跃成为高性能流量计的代表，市场需求量逐年上升。但是随着现代工业过程技术的发展，在流量的测量中出现了新的问题，同时也对流量测量技术提出了新的要求，其中，两相流情况下的测量问题和动态响应速度问题是当今国际上科氏质量流量计的研究热点。

　　为了解决上述问题，使科氏质量流量计能具有更好的测量性能、更强大的测量功能和更普遍的应用性，数字信号处理技术和数字电路技术被应用在新一代的科氏流量计的信号检测中，这为动态响应和两相流问题的解决提供了方法。在英国，已经出现了数字式科氏质量流量变送器，在一定程度上和一定的范围内有效地解决了两相流和动态响应问题。下面我们就其硬件结构、软件算法和新的应用进行介绍。

　　1数字科氏质量流量变送器的结构在工业自动化领域，数字一般意味着“含有处理器”。如是这样，从上世纪80年代以来的科氏质量流量变送器都是数字的。但是直到现在，很多商用产品的关键功能仍由模拟电路来实现。所以，这里提的数字变送器是指除了基本外围元件和放大电路外，所有部件都是数字的，特别需要强调的是用来初始化和维持管子振动的驱动波形也是通过数字方法得到的。信号通过A/D转换到数字域，在数字域完成所有的计算和驱动波形的描绘，然后通过D/A转换回到模拟域驱动管子振动。

　　1.1数字变送器的硬件总体框图随着数字电路以及现场可编程门阵列（FPGA）和音频技术的迅速发展，给数字变送器的研制奠定了基础，尤其在器件的选择上给我们提供了很大的空间。

　　数字变送器的结构十分简单，总体结构如所示。传感器信号由信号编（码）译码器（codec）接收，由FPGA控制其工作，经过处理和缓冲后，数据被送到处理器（这里是MotorolaPowerPC）进行更详细的分析，除了计算密度和质量流量这些过程变量外，还要确定维持管子振动的控制量如驱动增益等，并把这些控制量传给FPGA，在FPGA中合成数字驱动信号，并通过codec输出驱动信号。整个系统还应包括温度传感器及其信号的输入通道、标准的420mA输出、脉冲输出和网络接口等外围功能设备，它们直接由处理器控制或通过FPGA来控制。下面就其各部分进行介绍。

　　数字变送器的总体结构是一个高性能的32-bt硬件浮点处理器，工作频率为266MHz.在科氏流量计的实际应用中，该处理器为测量和控制算法的实现提供了高精度和高强度的计算能现场可编程门阵列（FPGA）FPGA提供了300⑴0个可编程逻辑门，它被用来实现关键的实时任务，包括在MPC的引导下的滤波、波形合成、缓冲和外围控制。这些任务在专用的硬件下能实现真正的并行执行，因此比在一块处理器上的时分执行要更有效，它的计算负载相当于传统处理器的4MFLOPS.信号编（码）译码器（endec）混合了两路（立体声）输入通道和两路输出通道，所以操作可并行地连续进行。codec的这些特性很适合应用于科氏流量计，尤其是对于有两个驱动器的流管，因为它有两路传感器和两路驱动器。同时codec可以为我们提供24bit精度的ADC和DAC通道，并可实现40kHz的采样速率。

　　2科氏质量流量变送器的算法在高精度和高采样速率的数字域里，我们可以灵活地采用多种方法来提取信号频率和相位差信息，并产生相应高效的驱动信号。所以数字变送器算法包括（测量计算）和信号驱动两大部分。

　　2.1信号处理一般来说信号处理要包括四个阶段：滤波、确定频率和相位差的测量计算、对测量结果进行校正和转换成工程单位。下面简单介绍牛津大学研制的数字变送器在部分处理阶段的实现。

　　典型的Foxboro公司的双驱动器科氏质量流量计的共振频率为75到95Hz，要实现高精度的测量必须有很高的米样速率，比如40kHz.滤波是为了减小高频成分对测量计算的影响。特别对于流管高一阶的共振模式（又被称为‘更高的科氏模式“），频率一般要超过300Hz（对于Foxboro的双管来说），如果引入的话会带来很大的噪声，同时这个更高的共振模式在外部振动的激励下又很容易发生，为此该变送器在FPGA中用一套6个极点的椭圆滤波器来减小250Hz以上的信号成分，将来自codec中ADCs的24bit的数据流用系数为24bit的滤波器进行处理。为了数值的稳定性，滤波器被作为二阶系统来实现。同时在FPGA的38-bt的寄存器中进行计算，其结果被作为32bit值送往处理器，这个值送的速率要求在10k到40k之间，随流管共振频率的变化而变化。

　　在这里需要注意，并不是带宽越窄的滤波器就效果越好，因为过窄的滤波器必然会影响流量计的动态响应。而当数字变送器应用于各种具有不同频率特性的流管类型时，只要通过装载滤波器系数和结构到FPGA就能实现重新匹配。

　　测量算法，即传感器数据在一个个完整的驱动周期里成批地处理。测量值在每个周期里可以被更新两次，这是因为连续两批被处理的数据中有半个周期的数据是重叠的，如所示。这个测量速率对整个流量计的综合动态响应起着很重要的作用。

　　信号数据处理周期示意图驱动频率通过计算两个零穿越点的时间差来得到，而这个高精度的零穿越点是通过曲线拟合技术得到的，但此方法从原理上来说受干扰的影响很大。

　　由于高次谐波的存在，傅立叶变换技术被用来计算每个传感器的相位和幅值信息，其中幅值被用来监视和控制流管的振动，而频率和相位则用来计算过程流体密度和质量流量。

　　校正技术，即几种工程上的校正技术被用来提高测量质量。其中对于傅立叶变换技术最有效的方法是通过每路信号的幅值的变化率来校正相位信息。这种方法显著地减少了测量噪声，使流量计的测量精度和动态响应得到提高。

　　2.2信号驱动科氏质量流量计的测量是建立在振动的基础上的，因此对这个振动的控制在科氏质量流量计中位于极其重要的地位，是产生精确测量数据的前提和基础。

　　对于Foxboro公司的双驱动流量计（两个驱动器可以提高信号灵敏度）来说，它比一般的单驱动控制要求更高，因为它要维持两个驱动器配合协调振动，尤其是在扰动发生时对控制的要求非常高，以产生稳定且平衡对称的输出信号。

　　科氏质量流量变送器不但要求其驱动信号与共振频率匹配，还要求它能使流管的振动维持在固定振幅（工作点）处。现在最普遍的流管振动控制技术仍旧是利用模拟电路组成的正反馈电路，即将传感器信号乘以一个驱动增益后直接当作驱动信号输出给激振器。

　　这些年来传统的科氏流量计的应用证明了这种方法的有效性，但这种方法在相对比较恶劣的情况下就不再那么有效，比如空管中批料的开始和结束时以及两相流时。这些时候最常见的结果是流量计停止振荡，测量数据无法产生。而牛津大学的数字变送器中最重要的一个组成部分就是全数字的驱动系统，它的提出就是为了弥补模拟正反馈技术的一系列缺陷。

　　数字驱动包含合成具有我们需要的幅度、频率和相位的正弦波，提供给激振器高精度和高适应性的驱动信号；能维持稳定振荡的非线形幅值控制算法；在高阻尼情况（如两相流时）时可以改变所维持振动的幅度：一般0.3V对应的振幅为0. 6mm，而当振动信号的幅度被维持在0.003V时，每个驱动器的平均电流为8M这也为两线制科氏质量流量的测量提供了可能性。

　　驱动增益被定义为驱动电流对振幅的比值。当幅度稳定时它的平均值近似于常数；当振幅改变时它会表现出很大的变化，也可以通过控制它来调节振幅，比如当我们需要快速减少振幅时，就要求控制算法产生一个负的增益。牛津大学的数字变送器通过产生一个与传感器信号相位差180*的驱动信号来达到这个目的。对于数字驱动系统，快速地产生负增益不但能使振幅的调节更灵活有效，也使流管在小幅度高阻尼下能维持稳定振动。通过。为了维持这么小的振幅，要求驱动信号幅度能快速变化，并产生正负波动的驱动增益。

　　在科氏流量计应用的早期阶段，这些幅度控制被认为没有什么作用，但后来这些灵活的控制系统被证明是解决两相流和空-满流量变化问题的前提。牛津大学的实验结果也证明了驱动电流不再是流管是否会停止振动的决定性因素，更为重要的因素应该是变送器控制系统追踪频率幅值的能力和选择一个合适变化速度和精度的驱动电流。

　　牛津大学通过实验证明，它们的数字变送器在两相流时振幅会减小，但流管并没有停止振荡，单相流时，振荡的幅值是默认值0.3V，此时驱动电流10mA.两相流发生时，比如流体密度从1000kg/m3降到500kg/m3，同时流管的阻尼显著增大，这时为了维持流管的振幅，驱动电流快速地增大，直到达到最大的允许值60mA，此时的振幅就被选定为新的幅值工作点进行控制。这个值显然比原来的默认振幅要小。两相流结束后，可以将振幅恢复到默认值。

　　相似的情况发生在水泵被关闭时，过程流体从管道中被排空时相应的流体密度将降到零。这个排空的过程将包含一个几秒的高度阻尼状况，此时振幅工作点采用一个比较小的值（同两相流时的情况）。而当水泵重新打开时，流量计经历一个水压的冲击后阻尼比恢复到正常值，这时再将振幅恢复到默认值。在这些过渡过程中，测量数据仍然连续产生。

　　3科氏质量流量计新的应用领域从上面的讨论中我们看到了数字技术在科氏流量计变送器中的实现，以及它给测量精度和流管控制方面所带来的提高。这些提高都在Foxboro的最新产品CFT50上得到体现。除此之外，它给科氏质量流量计带来的最显著的发展就是将其应用拓展到了原来无法应用的领域：批料流和两相流情况下的流量测量。

　　有许多工业过程中需要测量批料流量，并希望能象科氏流量计那样具有高精度和直接质量测量特性。

　　传统科氏要求流体在测量过程中充满流管，实际上并不能严格实现。在装满和排空油罐的过程中，空气的侵入是很难避免的；在食品生产过程中，卫生条例要求在两批流体流过管道的间隔中必须清洗管道，这会在科氏流量计引入类似两相流的流量误差，而且批料流带来的水压冲击还很可能会使流管停止工作。另一方面传统的科氏质量流量计的精度往往是以牺牲其动态响应速度换来的，而批料流测量的重点就是要快速准确地反映这个流量动态过程，这使得传统科氏质量流量计在这方面束手无策。于是也就推动了现阶段科氏流量计研究的一个重要方向*S力态响应研究的发展。

　　基于以上原因，传统科氏流量计的厂家是不会向客户推荐将他们的产品应用于批料流的测量上的。由于数字变送器带来的快速而稳定的流管控制算法，牛津大学研制的科氏质量流量计在批料流发生时只需要很短的恢复时间，因而能比较好地解决这种情况下的测量困难。在具体的实验中，他们实现了4s里流过2kg批料流（15mm的管子）的测量，这对传统科氏流量计来说几乎不可能，因为4s里其稳定振荡状态还未建立。

　　对传统科氏流量计来说另一个重要的难题是零星和连续两相流（气/液）流量测量。一方面两相流的动态特性会产生高阻尼，所以一般在很低的气体分数下就不能维持测量管的振动，同时它还会引入很大的流量测量误差。对于这个误差最早由H*np和Sultan提出了气泡模型，该模型从科氏流量计物理原理出发，分析两相流给科氏测量原理带来的影响：当少量气泡混入流体流过流管时，并不是所有的流体随管子一起同步振动（也就是没有垂直于管道的相对速度），而是与气泡体积相同的一部分流体会发生异常（产生与管道垂直的相对速度）。科氏的基本原理实质上是对流体质量和流速的乘积的感应，也就是通过间接测量改变整个惯性总体的运动方向所需要的力，因此前提是这个惯性体需要按照我们指定的方式统一地改变其运动方式，而这部分流体相对速度的产生却破坏了这个原科氏流量计无法或者错误地感知到他们的惯性）。

　　但这个模型是相当简陋和静态的，从实验结果我们可以看到，实际误差只与气泡理论误差的总体趋势相符，所以还不能被用来实现精确的校正。近期Hemp等人在对两相流更深入研究的基础上，对先前提出的针对非粘性流体的气泡模型进行了扩展，考虑了气泡的分布效应和流体粘性，提出了粘性流体的气泡模型。这个模型的建立可以更好地解释在低空气分数和低流速时误差表现出来的特殊特性。在模型中引入了粘度参数，通过这个模型我们可以发现在粘度为零时，测量密度相对误差（相对于单相流体的）为3d，质量流量误差为f5.而当粘度趋向于零时，其分别为a和0.这个模型的建立使两相流问题的解决又向前迈了一大步。

　　牛津大学通过实验证明他们的数字变送器对任何尺寸的测量管在任何气体比例的两相流下都不会停止工作，同时针对两相流时的密度和质量流量误差，他们又提出了建立在神经网络基础上的误差校正算法，能把误差控制在了2%以内。显然这些算法的实现都要靠数字变送器来完成。

　　虽然现在发展中的校正算法能使误差控制在2%以内，但两相流是一种复杂的现象，它与许多参数有关，包括流体刚度、粘度和环境压力。一般的校正算法只适用于水/空气两相流的物理特点，至于一些特殊的过程流体，比如通气的粘滞性流体，其误差呈现出的特性就会不同。因此需要发展更复杂、更精确的校正算法，但这需要建立在一个不断扩展的实验和工业使用数据库的基础上。

　　字变送器的基础上提出了一种自确认（Sel-Validating）传感器概念-简称SEVA51.现在SEVA已经成为英国工业测量质量报告标准的基础，SEVA变送器在给出测量数据的同时用一个状态变量来反映其测量质量。

　　如果测量条件恶劣，如两相流时，SEVA变送器就会在给出测量结果的同时用一个“模糊”状态来表示此时测量结果的不确定性程度。变送器通过数字通信把这个状态告诉控制系统，控制系统就可以根据这个状态采取不同控制策略。