摘 要：在雙U型科里奧利質量流量計（CMF）原理研究的基礎上，設計了實現驅動系統的物理閉環和增益控制閉環。增益控制單元作為增益控制閉環和物理閉環的共用環節，由增益控制信號產生電路和自動增益控制電路組成，前者檢測來自物理閉環的振動幅度信息，并與設定安全值比較，后者根據比較結果利用場效應管的壓阻特性來實現自動增益控制，以保證系統穩定工作。仿真結果表明電路設計與器件選擇正確，預期功能實現良好。具體闡述了增益控制閉環的設計思路和設計實體。

關鍵字：科里奧利質量流量計；仿真；驅動系統；物理閉環；增益控制閉環；電路設計

    在流量測量技術中，科里奧利質量流量測量技術是一種近乎理想的技術?？评飱W利質量流量計（CMF）可以精確地測量工業過程流量和流體密度，而且沒有運動的機械部件及其帶來的損耗，所以理論上講CMF的使用壽命可以很長。在現代化學工業中，許多流量測量的應用中出現了以下的趨勢：一些配方公式中給出的往往是原料的質量；對于一些昂貴的原材料需要十分精確的流量測量，以保證最大的產出和最小的浪費；要求生產流程中各部件具有高度可靠性。這樣，CMF就成為最好的選擇^[1]。

    1 雙U型CMF原理

    目前CMF一次儀表有多種外型，本次研究對象選定的是雙U形管CMF。激振線圈驅動系統以固定頻率驅動U形測量管振動，將長管處理成等長的兩段：一端作為流體的入口；另一端為出口，并使之繞U形管中點轉動。若管內沒有流體，則兩段管子的狀態一樣；若管內有流體，則由于質點在兩段管內運動方向不同，在非慣性系中受到方向相反的科里奧利力。兩段管子分別發生旋轉減緩和加快的趨勢，這樣就產生一個相位差，這個相位差與管中流體質量有如下數學關系^[2～6]：

    式中：M為質量流量；θ為相位差；Ti為周期；K_s為流量管的角彈性模量；r為管子的半徑；ω為管子的角速度；x為管子的長度。

    由以上分析過程可知，科里奧利力是產生相位差的直接原因，CMF正是通過測量該相位差而獲得質量流量信息的。因此在CMF一次儀表設計中的一個難點是模擬非慣性參考系，以使得流體質點受到科里奧利力^[7～10]。

    2 CMF的系統結構

    一個完整的CMF由一次儀表、變送器和用戶操作界面構成，如圖1所示。

    一次儀表通過標準法蘭盤連接在管路中，實時接收流體的質量流量、密度和溫度相關的諸信息。由變送器對一次儀表的輸出信號進行處理。

    圖1中的驅動系統（見圖2）是用來模擬非慣性參考系的重要模塊。該系統產生穩定的正弦信號，驅動一次儀表的激振線圈工作，并且該信號的頻率必須能根據流體密度自動變化，這就要求驅動系統滿足以下兩個條件：a。能穩定地產生正弦信號；b。能跟蹤頻率的變化。因此，驅動系統應該是一個自激系統，其振動不依賴于外部頻率，同時自激振蕩幅度必須維持在合適的水平。

    設計的驅動系統由兩個閉環構成：其一是在U型管某一臂上的傳感器和激振線圈之間通過支架實現的物理閉環；其二是用來控制激振信號幅度的增益控制閉環。物理環節必須解決兩個問題：一是驅動波形必須有足夠大的幅度和功率，因此必須有電壓放大單元和功率放大單元，二是反饋回路應滿足正反饋的條件，因此必須具備相位調節單元。

    3 增益控制閉環各單元電路設計及其仿真

    增益控制閉環以拾振器的輸出為輸入信號。由于拾振器的輸入信號反映了激振信號的幅度，因此可以觀察拾振器的某些參數來控制物理閉環的激振信號輸出，避免激振信號幅度過大。可以通過整流器提取拾振器信號的幅度，通過該幅值與某預設幅度的比較來判斷當前激振振幅是否過大，進而控制物理閉環的增益來規避振幅過大。

    3.1 自動增益控制信號產生電路及其仿真

    由整流器提取幅度信號后，應產生自動增益控制信號，控制對物理閉環輸入信號的放大倍數。該電路通過激振幅值與預設值的比較來決定輸出，因此利用差分放大電路實現。但系統提出了特殊的要求：當激振幅度等于預期幅度時，輸出不能為零，因此傳統的橋式差分電路不能用于此處。設計了如圖3所示的電路來滿足需求。

    該電路的輸入輸出電壓滿足如下關系

    V_o=（1+R₄/R₃）V+-（R₄/R₃）V，式中：V+為正向輸入電壓；V為設定電壓。

    仿真表明：當負相輸入V-（激振幅度）小于預設電壓時，輸出為正；當負相輸入等于預設電壓時，輸出亦為預設電壓；當負相輸入大于預設電壓時，輸出電壓不能立即為負，但也能讓輸出電壓立即變小。仿真結果如圖4所示，可見該電路的輸出能靈敏地反映激振與預設幅值的相對大小。

    3.2 自動增益控制輸出電路設計

    此單元電路同時處于增益控制閉環和物理反饋環中，設計時要綜合考慮。物理反饋環中，該電路應具有普通的放大器功能，并可以調節在該反饋環中的增益；在增益控制反饋環中，該電路作為與物理反饋環的接口，通過差分放大器的輸出信號控制這一級的增益。上一級輸出信號含有關于受控幅度的重要信息，因此考慮電壓控制阻抗器件，設計原型電路如圖5所示。

    對以上電路進行理論分析得到增益為

    A=（1-α）（R₅/R₂）+（R₅R₄/（R₆R₂）），

    通過調節電位器R₁，可以調節物理閉環中的增益。增益閉環控制通過壓控器件等效電阻R6的變化來實現：當激振幅度過大時，需要壓阻器件的等效電阻R₆自動迅速變大，以降低增益；當R₆過小時，理論增益太大，會產生削幅現象，此時可以通過調節電位器改變α的值，進而使增益正常；由以上分析可見，只要選取合適的器件，使其壓阻特性能滿足特定的要求，就可以滿足設計需要。而場效應管是典型的電壓控制器件^[7]，能否由場效應管實現上述設想，關鍵在于針對場效應管阻值對控制電壓V_GS的反應來設計符合滿足需要的場效應管。

    3.3 場效應管的選擇及限幅電路的引入

    當整流幅度大于預設值（即在V_GS為負值）時，場效應管阻R₆應迅速變得非常大，最好處于夾斷狀態，使得激振幅度能立即降低到合理水平；當整流幅度小于預設值時，此時場效應管應保持阻值穩定，增益控制電路的特性不隨著差分放大輸出幅度的變化而大幅變化。

    上述要求僅依靠場效應管是無法實現的，需要在差分輸出和增益控制間引入限幅電路，使得當經過高倍放大的差分輸出為正時限定在某個幅度，而差分輸出為負時能正常輸出到V_GS。設計如圖6所示的限幅電路。

    對于場效應管而言，當增益控制信號即VGS穩定在一個較小的正值時，要求其等效電阻R₆較小。并不是所有場效應管都能滿足這一點的，仿真發現，采用J308N溝道結型場效應管能夠滿足要求。

    3.4 增益控制閉環整體仿真

    依照上述的設計思路，確定了增益自動控制閉環的結構。取V⁺=2.3V，差分放大器增益為21.2，限幅二極管為1N1418，增益控制輸入幅值為200mV，增益控制電路最小增益為0.56，用國產場效應管3DJ3C^[7]代替進口J308N溝道結型場效應管。按預設結構搭建仿真電路，得到如表1的仿真數據。

    將整流輸出幅度V_GCI與增益控制電路的輸出電壓幅值V_GCO繪制為散點圖，得到如圖7所示的曲線。

    由圖7可知，當整流幅度低于設定電壓2.3V時，輸出穩定在1000mV左右，當高于2.7V時，輸出穩定在112mV左右，正好對應于增益控制電路的最小增益。因此，設計的電路能較好地實現自動增益控制的功能。

    增益控制電路同時處于增益控制閉環和物理反饋環中，設計時要綜合考慮來自兩個閉環的要求；在增益控制反饋環中，該電路作為與物理反饋環的接口，首先要產生包含比較信息的增益控制信號，然后根據該信號自動調節整體閉環增益；設計的主要難點包括：差分輸入為零時輸出不能為零；找到壓阻特性滿足設計需要的控制器件。設計在傳統電路上進行了創新，并靈活選用電子器件和輔助電路，較好地解決了以上難點。

    實驗結果表明，設計的電路能很好地服務于科里奧利質量流量計驅動系統，使其穩定保持在振動狀態。

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