CN1126825A - 科里奥利物料流量传感装置的求值电路 - Google Patents

Abstract

为了实现测量精度量少为量程端值的0.005％，而且至少为测量值的0.15％的目标，本发明提供了一种按照科里奥利原理工作的物料流量传感装置求值电路，它包括二个电动传感器，二个前置放大器，一个有固定设定放大率的放大器，一个有可变放大率的放大器；一个微分级；一个第一转换开关；一个低通滤波器；一个加法/积分级；一个锁相环路；一个相位测量和相位叠加级；一个第一同步整流器；一个放大率调整级；一个程序控制器；一个第二同步整流器；一个第二积分器；一个存储器级；一个除法级。

Description

科里奥利物料流量传感装置的求值电路

本发明涉及一种带有电动式传感器的科里奥利(Coriolis)物料流量传感装置求值电路。

在《自动化技术实践》杂志1988年第224至230页中公开了一种按照科里奥利(复合加速度)原理工作的求值电路，它应用于本申请人生产的物料流量传感装置上。该传感装置包括一个以某个振荡频率振动的第一测量管和以一个相同的振荡频率振动的第二测量管，待测量的流体流经测量管，在测量管上沿流体的流动方向交错安装着一个第一光电传感器和一个第二光电传感器，所述的求值电路包括：

—每个光电传感器的一个发光二极管和一个光敏二极管，

—一个用于两个传感器输出电流的微分级，

—一个位于微分级后面的放大器，

—一个调整级，

——其输入端与放大器的输出相连，

——其输出端经一个开关与第二传感器的光敏二极管相连，以及

——将第二传感器的输出电流振幅调节到与第一传感器的输出电流振幅相等，

—一个程序控制器，在开关接通期间使其保持在“开”的状态，但测量期间除外，

—一个振幅测量级，其输入端与微份级的输出端相连，

一一个处理器，其输出信号与物料的流量成正比。

在《测量与控制》杂志1988年9月号第195至197页中也公开了一种按照科里奥利(复合加速度)原理工作的物料流量传感装置求值电路，该传感装置包括一个以某个振荡频率振动的第一测量管和以一个以相同的振荡频率振动的第二测量管，待测量的流体流经测量管，至少在一个测量管上沿流体的流动方向安装着一个第一电动传感器和一个第二电动传感器，所述的求值电路包括：

—一个第一放大器以固定设定的放大率放大第一传感器的信号，

—一个第二放大器以可变的放大率放大第二传感器的信号，

—一个用于两个放大器输出信号的微分放大器，

—一个设置在微分放大器后面的有源滤波器，用于消除因流体密度波动、振荡频率本身变化和测量管共振而产生的测量误差，

—一个用于两个放大器输出信号的加法放大器，

—一个位于有源滤波器输出端的锁定在振荡频率上的第一锁定放大器，

—一个位于加法放大器输出端的锁定在振荡频率上的第二锁定放大器，

—位于第一和第二锁定放大器输出端的第一和第二电压—频率转换器，以及

—位于第一和第二电压—频率转换器输出端的第一和第二计数器，

—一个除法器，并且

——其被除数输入端与第一计数器的输出端相连，

——其除数输入端与第二计数器的输出端相连，

——其输出信号与物料的流量成正比。

本发明的任务是，提供一种改进的具有电动传感器的科里奥利物料流量传感装置的求值电路，其测量精度最少为量程端值的0.005％(例如在流体流速为10m/s的条件下)而且测量精度至少为测量值的0.15％。以上参数意味着在流体流速为0.5mm/s的条件下也必须能够进行测量。同时两个电动传感器信号之间的被测量的相位角位移在大约4·10^-5°和0.5°之间，振荡频率数值在大约500Hz和大约1KHz之间。所以相位测量的分辨率必须达到大约2·10^-10秒。

本发明提供一种按照科里奥利(复合加速度)原理工作的物料流量传感装置求值电路，该传感装置包括一个以某个振荡频率振动的第一测量管和以一个相同的振荡频率振动的第二测量管，待测量的流体流经测量管，至少在一个测量管上沿流体的流动方向交错安装着一个第一电动传感器和一个第二电动传感器，所述的求值电路包括：

—一个第一传感器的信号的第一前置放大器，

—一个第二传感器的信号的第二前置放大器，

—一个以固定设定的放大率放大第一前置放大器输出信号的第一放大器，

—一个可以变放大率放大第二前置放大器输出信号的第二放大器，

—一个用于两个放大器输出信号的微分级，

—一个第一转换开关，

——其第一输入端与微分级的输出端相连，

——其第二输入端与第一放大器的输出端相连，

—一个具有可调截止频率的低通滤波器，

——其传输系数的衰减始于测量管的振荡频率，以及

——其输入端与第一转换开关的输出端相连，

—一个用于两个前置放大器输出信号的加法/积分级，

—一个锁相环路，

——其输入端与加法/积分级的输出端相连，

——其输出信号构成第一振荡频率信号，

—一个相位测量和相位叠加级，

——在其第一输入端输入第一振荡频率信号，

——在其第二输入端输入低通滤波器的输出信号，并且

——在其第一输出端产生一个与低通滤波器的相移等量相移的第二振荡频率信号，

——在其第二输出端产生一个等于该相移角再加90°的第三振荡频率信号，

—一个由第二振荡频率信号控制的第一同步整流器，它接受低通滤波器的输出信号，

—一个开关，其输入端与第一同步整流器的输出端相连，

—一个第二放大器的放大率调整级，其输入端经第一积分器与开关的输出端相连，

—一个程序控制器，它在开关或转换开关输出端的接通时间内与转换开关的第一输入端保持连通，但在一段与接通时间相比较短的测量时间内除外，并且在测量时间内相位测量和相位叠加级被启动，

—一个在测量时间内由第二振荡频率以及在接通时间内由第三振荡频率信号控制的第二同步整流器，它接受低通滤波器的输出信号，

—一个第二积分器，其输入端与第二同步整流器的输出端连接，

—一个存储器级，其输入端最多在测量时间内与第二积分器的输出端相连，并且

—一个除法级，

——该级在接通时间内，

——被除数输入端与第二积分器的输出端相连，

——第一除数输入端与存储器级的输出端相连，并且

——第二除数输入端与锁相环的输出端连接，并且

——其输出信号与物料流量成正比。

根据本发明的一个有利的实施例，低通滤波器是一个开关—电容—滤波器，其脉冲信号由锁相环路产生，而且其脉冲频率是振荡频率的整数倍。

根据本发明的另一个实施例，可设置一个流体密度测量级，其输入端接受第一或第二振荡频率信号。

此外，在本发明的又一个实施例中，第二同步整流器的输出端直接连接一个模拟/数字转换器，并且振幅测量级、存储器级以及除法级均是数字电路。

下面对照唯一的附图对本发明做进一步说明，图中以框图方式示意性表示出本发明的一个实例。

图1所示的框图表示的是按照科里奥利(复合加速度)原理工作的物料流量传感装置求值电路，其基本的功能部件包括一个以某个振荡频率振动的第一测量管11和以一个相同的振荡频率振动的第二测量管12。两个测量管的机械尺寸和特性要尽可能一致，以达到相同的振荡频率。由于两个测量管11，12安装在一根图中没有画出的圆管内，而且例如用法兰或螺纹接口固定，所以测量管在工作状态下有待测量的液体(例如水，牛奶，油等)流过，最好是平行流过。

测量管11，12由一个同样未画出的驱动电路激励，使其始终以和液体性质(特别是质量和密度)相关的共振频率作为振荡频率f做反相振动。驱动电路例如可以是一个相位被锁定的回路，从而能够自动地调节当时的共振频率，见申请人在美国专利说明书4801897中描述的那样。

在测量管12上沿流体流动方向交错装有一个第一电动传感器21和一个第二电动传感器22。该传感器也可以按以下方式布置，使其在两个测量管11，12的同一位置上接收振动信号。每个传感器均由一个永久磁铁和一个线圈组成，它们可由于振动而做相对移动。

每个传感器可以发出与测量管的速度成正比的交变电压u＝U·sinΩt，其振幅U与测量管振动的振幅成正比，其频率l/t等于测量管振动的频率f，并且Ω＝2πf。

当液体流过时，传感器11的交变电压u₁相对传感器12的交变电压u₂偏离一个相位角Φ；因此可以推论，传感器11，12以相同的间隔位于测量管12的中线前面和后面，而且该中线的相位角Φ＝0：

u₁＝U₁·sin(Ωt—Φ/2)    (1)

u₂＝U₂·sin(Ωt＋Φ/2)    (2)

第一和第二传感器21，22各自的信号u₁和u₂被传送给第一和第二前置放大器31，32。该前置放大器均有较高的输入电阻，因此在传感器内实际不没有电流流动，该电流可在测量管上产生机械预应力，因此会对其振动特性产生不利影响。而且前置放大器也不会改变传感器信号的相对相位位置。

第一前置放大器31的输出信号u₁′＝U₁′·sin(Ωt—Φ/2)被送入第一放大器41，该放大器具有固定设定的放大倍率，第二前置放大器的输出信号u₂′＝U₂′·sin(Ωt＋Φ/2)被送入第二放大器42，该放大器具有可变的放大倍率。信号u₁′，u₂′之间最大可以有±10％的偏差。

第二放大器42的可变放大倍率可以按以下方式自动调整，两个放大器41，42的输出信号u₁″，u₂″的振幅U₁″，U₂″是相等的：U₁″＝U₂″＝U″；可变放大率的调整在后面还要加以说明。放大器41，42最好采用所谓电流—反馈—运算放大器，其带宽与当时的放大倍率无关。两个放大器41，42的输出信号U″·sin(Ω—Φ/2)t和U″·sin(Ω＋Φ/2)t被送入一个微分级13的相减或减法输入端。其输出端即可产生一个微分信号d：

d＝U″·sin(Ω＋φ/2)t－U″·sin(Ω－φ/2)t    (3)

d＝U″·[sin(φ/2)·cosΩt＋cos(φ/2)·sinΩt

      ＋sin(φ/2)·cosΩt－cos(φ/2)·sinΩt]

d＝2U″·sin(φ/2)cosΩt.                      (4)

此外对于小角度Φ始终适用：

sinΦ≈Φ

从而得到：

d≈2U″·(φ/2)·cosΩt＝U″·φ·cosΩt.    (5)

可以看出，微分信号d的振幅U″·Φ仅与相位角Φ成正比(因为U″保持恒定)，并且其相位相对每个传感器信号u₁，u₂实际上均偏移90°，因为前提条件是Φ很小。

对于物料流量m适用下式：

m～Φ/Ω                                     (6)

微分级13的微分信号也可以放大，其输出端与第一转换开关14的第一输入端相连，该转换开关的第二输入端与第一放大器41的输出端相连。因此第一转换开关14的输出端或者与微分信号d或者与信号u₁″接通。

低通滤波器15具有可调的截止频率，其输入端与第一转换开关14的输出端连接。最好采用开关—电容技术实现该低通滤波器，而且至少为四次方。在这种情况下，要在开关—电容低通滤波器前加一个抗混淆滤波器，而且在后面加一个平滑滤波器。

开关—电容滤波器是公知的时钟滤波器；所以时钟低通滤波器15的时钟频率f^*是振荡频率f的整数倍。通过时钟频率f^*与振荡频率f之间的这种“联系”，时钟低通滤波器15的截止频率可以与振荡频率f锁定并与其一同改变。

低通滤波器15的传输系数的衰减始于测量管的振荡频率f，而且有足够的陡度，从而使来自管道的干扰信号(例如由于敲击管道造成的振动)，或者来自流动液体(空化作用)的干扰信号得到最佳的抑制。

两个前置放大器31，32的输出信号u₁′，u₂′进入一个加法/积分级16，其输出端产生一个信号s如下：

s＝u₁′＋u₂′＝U₁′·sin(Ωt—Φ/2)＋U₂′·sin(Ωt＋Φ/2) $s={\∫U}^{\′}\·\left(\sin \mathrm{\Ωt}\right)\mathrm{dt}=-(U^{\′}/\mathrm{\Ω})\·\cos \mathrm{\Ωt}------\left(7\right)$

其中U′≈U₁′＋U₂′

信号s具有测量管12中线的相位及其振荡频率f。

在加法/积分级16的输出端连接的是锁相环路17的频率输入端，锁相环路在其输出端产生一个第一振荡频率信号f₁；该回路用于信号的去耦，但是也用于信号s和f₁的频率同步耦合。振荡频率信号f₁最好是方波信号，而且带有单位传号和空号间隔比(unitymark—to—space ratio)。

就本身而言，一个纯加法级或者仅有两个信号u₁′，u₂′之一作为锁相环路17的输入信号已经足够了，但是应用加法/积分级16却还有两方面的优点：一方面通过积分可以将来自管道或者流通液体的干扰信号阻尼，另一方面加法/积分级16的输出信号也可以用于控制振幅调节回路，通过该回路使测量管的振荡频率和其机械振幅无关，而且保持恒定。该振幅调节回路可以是上述测量管驱动电路的一个部分。

相位测量和相位叠加级18的第一输入端接受第一振荡频率信号f₁，其第二输入端接受低通滤波器15的输出信号。相位测量和相位叠加级18在其第一输出端输出一个相对其输入信号f₁移动了低通滤波器15的相位位移角δΦ的第二振荡频率信号f₂，同时在其第二输出端输出一个相对f₁有位移δΦ＋90°的第三振荡频率信号f₃。两个频率振荡信号最好是带有单位传号和空号间隔比的方波信号。

低通滤波器15的输出信号进入第一同步整流器51，该整流器受第二振荡频率信号f₂的时钟控制，该整流器的输出信号经开关20进入第一积分器61。

一般而言，同步整流器是一个放大器，其对控制信号的放大v周期性地在+v和—v之间切换，或者换句话说：同步整流器是一个乘法器，其乘数由控制信号周期性地在+1和-1之间切换。

对本发明的理解而言，只有两个同步整流器工作极限情况是重要的，即极限情况1：一个频率为F的正弦波输入信号和一个具有相同频率F的同相位控制信号并具有单位传号和空号间隔比(＝同相位的极限情况)，或者极限情况2：一个频率为F的余弦波输入信号，即一个输入信号，它相对于正弦波输入信号偏移了90°，但用于极限情况1中的正弦波输入信号和一个具有相同频率F的同相位控制信号并具有单位传号和空号间隔比(＝正交相位的极限情况)。

在同相位的极限情况中，同步整流器的输出信号和普通全波或者桥式整流器相同。在同步整流器51后面的积分器61的输出端实际上将产生一个直流电压g₁。

在正交相位的极限情况下，同步整流器产生的输出信号由并列的余弦曲线段组成，每段曲线均始于余弦波信号的最大值，并且在其最小值结束。在后面的积分器的输出端同样产生一个直流电压，但是其数值等于0。

很容易看出，由于两个放大器41，42的输出信号u₁″，u₂″的振幅U₁″，U₂″相互不同，与公式(4)相应的公式还要产生一个有正弦波分量并与两个振幅相关的波形，所以第一积分器61的输出信号实际上是一个直流电压g₁，它在振幅相等时变为0。此时具有正弦波分量的波形消失，而公式(4)中的余弦波形将如上述正交相位的极限那样，同样变为0。

直流电压g₁进入第二放大器42的放大倍数调节级19。该调节回路包括放大器42、微分级13、第一转换开关14、低通滤波器15、同步整流器51、开关20、积分器61和调节级19等，它形成了自动放大调整回路，其中调节级19接受一个合适的参考信号，或者在其内部生成该信号。自动放大调整回路对放大器42的放大倍数进行调节，其方式如上所述，使输出信号u₁″，u₂″的振幅实际上相等。

一个程序控制器23产生一个信号a，该信号在转换开关14的输出端与其第一输入端连接和接通时间t_s内保持开关20处于“通”的状态，但在比接通周期t_s短的测量周期中，转换开关14的输出端与其第二输入端接通。此外在测量时间内，相位测量和相位叠加级18的相位测量功能被激活，使得信号a时钟内的低通滤流器15的相位角位移δΦ被刷新。

低通滤波器15的输出信号还经过第二转换开关24进入一个由第二或第三振荡频率信号f₂，f₃控制的第二同步整流器52，而且第二同步整流器52在接通时间t_s内由第三振荡频率信号的时钟控制，在测量时间t_m内受第二振荡频率信号的时钟控制。

第二同步整流器52后面是一个第二积分器62，它至少在信号f₂和f₃的一个完整周期内进行积分。从而产生一个直流电压g₂，它与输入信号的振幅呈严格的正比。

由于低通滤波器15在接通时间t_s内对信号d进行处理，该信号根据公式(5)为一个余弦波信号，而且由于第二同步整流器52在接通时间t_s内受第三振荡频率信号f₃时钟的控制，该信号又是一个偏移的相位角δΦ的余弦波信号(参见上面的定义)，所以便会出现上述同相位极限情况。在第二积分器62的输出端可形成对应于公式(5)的振幅U″·Φ呈正比的直流电压g₂。

另一方面，由于低通滤波器15在测量时间t_m内对信号u₁″进行处理，该信号根据公式(1)为一个正弦波信号，而且由于第二同步整流器52在测量时间t_m内受第二振荡频率信号f₂时钟的控制，该信号又是一个偏移的相位角δΦ的正弦波信号，所以便会重新出现同相位的极限情况。在第二积分器62的输出端可形成与振幅u₁″成正比的直流电压g₂′，该电压表示测量管12的振幅大小。

通过利用两个相互错开90°的信号f₂，f₃进行的时钟控制，在低通滤波器15的输出信号内的错开90°的分量便可得到可靠的抑制。

如果两个转换开关14，24和开关20采用电子元件实现，则程序控制器23产生一个信号a，例如是一个与接通时间t_s相对应的电压，该电压具有足以控制两个转换开关14，24和开关20动作的例如是正向的第一电平H。只有在短促的测量时间内，信号a才具有一个足以切换转换开关14，24到其各自的另一个位置以及关闭开关20的例如是负向的电平L。接通时间t_s例如是2秒，测量时间t_m例如是20微秒。

存储器级25的输入端最多在测量时间t_m内与第二积分器62的输出端相连。如上所述，此时在输入端上作用了直流电压g₂，其数值即所谓的测量管12的振幅将被存储电路25存储起来。

最后在除法级26内，在一段接通时间t_s内其被除数输入端与第二积分器62的输出端接通，而且其经一除数输入端与存储电路25的输出端接通，同时其第二除数输出端与锁相环路17的输出端连通。第二除数输入端仅对频率信号求值，其实现方式例如是设置一个频率—电压—转换器。

除法级26的输出信号与物料流量m成正比。

本发明的另一种构成可以是，为了确定流体的密度，测量级27的输入端接受第一或第二振荡频率信号f₁，f₂。公知的方法是从测量管的振荡频率f中测定流体的密度，如上所述，信号f₁，f₂具有相同的频率。

在存储电路25和除法级26作为数字电路构成的情况下，例如两者是一个微处理器的一部份，则第二积分器62的输出端后面必须直接设置一个模拟/数字转换器；该转换器在图中用虚线表示。所述的微处理器当然也可以完成其他子电路的功能，例如上述频率—电压—转换器。

Claims (4)

1.一种科里奥利原理工作的物料流量传感装置的求值电路，该传感装置包括一个以振荡频率(f)振动的第一测量管(11)和以一个相同的振荡频率振动的第二测量管(12)，待测量的流体流经测量管，至少在一个测量管上沿流体的流动方向交错安装着的一个第一电动传感器(21)和一个第二电动传感器(22)，所述的求值电路包括：

—一个第一传感器(21)的信号的第一前置放大器(31)，

—一个第二传感器(22)的信号的第二前置放大器(32)，

—一个以固定设定的放大率放大第一前置放大器(31)输出信号的第一放大器(41)，

—一个以可变放大率放大第二前置放大器(32)输出信号的第二放大器(42)，

—一个用于两个放大器(41，42)输出信号的微分级(13)，

—一个第一转换开关(14)，

——其第一输入端与微分级(13)的输出端相连，

——其第二输入端与第一放大器(41)的输出端相连，

—一个具有可调截止频率的低通滤波器(15)，

——其传输系数的衰减始于测量管的振荡频率(f)，

——其输入端与第一转换开关(14)的输出端相连，

—一个用于两个前置放大器(31，32)输出信号的加法/积分级(16)，

—一个锁相环路(17)，

——其输入端与加法/积分级(16)的输出端相连，

——其输出信号构成第一振荡频率信号(f1)，

—一个相位测量和相位叠加级(18)，

——在其第一输入端输入第一振荡频率信号(f1)，

——在其第二输入端输入低通滤波器(15)的输出信号，并且

——在其第一输出端产生一个相移为低通滤波器(15)的相移角(δΦ)的第二振荡频率信号(f2)，

——在其第二输出端产生一个相移等于该相位角(δΦ)再加90°的第三振荡频率信号(f3)，

—一个由第二振荡频率信号(f2)控制的第一同步整流器(51)，它接受低通滤波器(15)的输出信号，

—一个开关(20)，其输入端与第一同步整流器(51)的输出端相连，

—一个第二放大器(42)的放大率调整级(19)，其输入端经第一积分器(61)与开关(20)的输出端相连，

—一个程序控制器(23)，它使开关(20)在转换开关(14)输出端与其第一输入端保持连接和接通时间(t₃)内处于通状态，但在一段与接通时间(t_s)相比较短的测量时间(t_m)内除外，并且在测量时间内相位测量和相位叠加级(18)被启动，

—一个在测量时间(t_m)内由第二振荡频率以及在接通时间(t_s)内由第三振荡频率信号(f₂，f₃)控制的第二同步整流器(52)，它接受低通滤波器(15)的输出信号，

—一个第二积分器(62)，其输入端与第二同步整流器(52)的输出端连接，

—一个存储器级(25)，其输入端最多在测量时间(t_m)内与第二积分器(62)的输出端相连，并且

—一个除法级(26)，

——该级在接通时间(t_s)内

———被除数输入端与第二积分器(62)的输出端相连，

———第一除数输入端与存储器级(25)的输出端相连，并且

———第二除数输入端与锁相环(17)的输出端连接，并且

——其输出信号与物料流量(m)成正比。

2.如权利要求1所述的求值电路，包括一个开关—电容—低通滤波器，其脉冲信号由锁相环路(17)产生，而且其脉冲频率(f^*)是振荡频率(f)的整数倍。

3.如权利要求1所述的求值电路，包括一个流体密度测量级(27)，其输入端接受第一或第二振荡频率信号(f₁，f₂)。

4.如权利要求1所述的求值电路，其中第二积分器(62)的输出端直接连接一个模拟/数字转换器(28)，并且存储器级(25)以及除法级(26)均是数字电路。