引言

壓縮天然氣是壓縮天然氣汽車的燃料，對(duì)于在用車而言，通過(guò)將定型汽油車改裝，以對(duì)原車供油系統(tǒng)的保留為前提增加一套專用壓縮天然氣裝置，便可形成壓縮天然氣汽車，燃料轉(zhuǎn)換只需將開關(guān)撥動(dòng)即可。加沖一次天然氣，壓縮天然氣汽車能夠行駛大約 200 公里，對(duì)于公共汽車、市內(nèi)的士以及往返里程在 200 公里以內(nèi)的中巴車等十分適用。汽車加氣站的貿(mào)易結(jié)算工作對(duì)壓縮天然氣流量測(cè)量提出較高要求，目前應(yīng)用于壓縮天然氣流量測(cè)量的流量計(jì)以氣體腰輪流量計(jì)、氣體渦輪流量器、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)等為主。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱科氏流量計(jì)）可對(duì)流體質(zhì)量進(jìn)行直接的測(cè)量，準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性比較高，流體通道內(nèi)無(wú)阻流元件與可動(dòng)部件，基于可靠性好與壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)在汽車用壓縮天然氣、能源、航天等部門的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章基于工作原理就其變送器新型硬件的設(shè)計(jì)展開研究。 

 

1 汽車壓縮天然氣流量計(jì)——科氏流量計(jì)變送器工作原理

            應(yīng)用于汽車壓縮天然氣流量測(cè)量的科氏流量計(jì)是一種直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表，一次儀表 sensor 的流量管兩端進(jìn)口與出口安裝兩個(gè)傳感器、中間放置驅(qū)動(dòng)器、流量管鉑金電阻溫度計(jì)組成，少數(shù)高精度還有殼體溫度計(jì)。流量管會(huì)以固有頻率振動(dòng)，當(dāng)空管沒有流體流過(guò)時(shí)，流量管不會(huì)因?yàn)榭评飱W利力而發(fā)生移位偏移，兩路傳感器線圈同時(shí)切割圓柱型三鈷磁鐵從而輸出信號(hào)同相位，有流體流過(guò)時(shí)，兩路信號(hào)即產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的相位差。二次儀表即變送器一方面為驅(qū)動(dòng)器提供激振信號(hào)，傳感器本身就是二階阻尼諧振選頻系統(tǒng)，采集兩路傳感器信號(hào)多抽一濾波、自適應(yīng)格型陷波濾波、HILBERT 互相關(guān)與自相關(guān)算法算出其相位差非常后經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)玫礁呔�度的質(zhì)量流量。

 

            科氏流量計(jì)變送器系統(tǒng)包括基于 ADI 公司 ADSPBF523 的數(shù)字式浮點(diǎn) DSP、采樣調(diào)理系統(tǒng)，數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，溫度檢測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)，脈沖與 4-20mA 模擬輸出系統(tǒng)，人機(jī)接口系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基于增益控制的半數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，以及完全通過(guò) DSP 內(nèi)部的波形合成進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制全數(shù)字控制系統(tǒng)。

 

            全部的科氏流量計(jì)都需要進(jìn)行 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)體系的人為建立。此處以雙“U”型測(cè)量管為例，采用電磁驅(qū)動(dòng)方法令“U”型測(cè)量管的回彎位置進(jìn)行周期性微小振動(dòng)，這種微小振動(dòng)類似于讓“U”型測(cè)量管沿著一個(gè)固定的軸作周期性的時(shí)上時(shí)下的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向呈現(xiàn)周期性變化趨勢(shì)，大致類似于鐘擺一樣的運(yùn)動(dòng)。由于“U”型測(cè)量管的出入口位置是被固定的，這樣就等同于建立了 1 個(gè)將“U”型測(cè)量管出入口段作為固定軸的旋轉(zhuǎn)體系。當(dāng)“U”型測(cè)量管向上振動(dòng)，但是并沒有流體流過(guò)之時(shí)，根據(jù)右手螺旋法則，四指指向旋轉(zhuǎn)方向，此時(shí)，大拇指所指向的方向即外加驅(qū)動(dòng)的圓頻率 ω。當(dāng)有流體進(jìn)入“U”型測(cè)量管時(shí)，在慣性的影響之下，流體會(huì)對(duì)“U”型測(cè)量管強(qiáng)加給它的垂直動(dòng)量做出相應(yīng)的反抗，此反抗表現(xiàn)為：在“U”型測(cè)量管的入口段，當(dāng)測(cè)量管是向上振動(dòng)時(shí)，流體會(huì)將測(cè)量管向下壓，而在“U”型測(cè)量管的出口段，當(dāng)測(cè)量管是向上振動(dòng)時(shí)，流體又會(huì)將測(cè)量管向上推。在流體的這種反抗作用下，“U”型測(cè)量管會(huì)發(fā)生扭曲，此即科氏流量計(jì)的作用結(jié)果。 

 

2 信號(hào)產(chǎn)生與采集系統(tǒng)

            汽車壓縮天然氣質(zhì)量流量與兩路傳感器的信號(hào)相位差成正比，或者說(shuō)與兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差成正比。非常小的時(shí)間差可以精確到 400ps，所以精確測(cè)量 Delta T 是質(zhì)量流量測(cè)量的關(guān)鍵。這里要考慮很多因素如零點(diǎn)的偏移、溫度補(bǔ)償、壓損補(bǔ)償、管壁腐蝕影響、兩相流問(wèn)題。需要兩路高精度的 ADC 對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行無(wú)相位差的同步采樣，另外全數(shù)字的要 DAC 進(jìn)行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，選用 ADC 與 DAC 集成在一起的芯片可以既提高性能又可以降低成本。選用 AKM 公司的 AK4556 公司的音頻解碼芯片 Codec，它包括兩路單輸入的 24 位 ADC 和兩路差分輸出的 24 位 DAC，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度的低通濾波電路并放大，在經(jīng)偏置電壓 1.5V，這樣直接進(jìn)入CODEC 內(nèi)部的 ADC 采樣通道，這樣可以盡非常大可能減小電子零點(diǎn)的誤差。1.5V 的參考電壓是由 CODEC 產(chǎn)生。CODEC 所用的工作時(shí)鐘是由 12.288MHz 有源溫補(bǔ)晶振提供，CODEC 的主頻模式有 48KHz、32KHz、44.1KHz，正常的它有不同三種工作模式即 ADC 與 DAC 同時(shí)工作，ADC 單獨(dú)工作，DAC 單獨(dú)工作。

 

            采樣調(diào)理電路采用高共模抑制性能儀表放大器，并盡量減小儀器所受的溫度影響與 offset 的漂移。電路采用前級(jí)的共模濾波內(nèi)部鏡像電流源的轉(zhuǎn)換模式，通過(guò)外部電阻可以調(diào)節(jié)增益的大小，非常后通過(guò)一階低通濾波輸出給CODEC 芯片。 

 

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

            科氏質(zhì)量流量計(jì)必須要在系統(tǒng)固有的諧振頻率點(diǎn)才能進(jìn)行汽車壓縮天然氣正確的質(zhì)量流量測(cè)量，快速起振同時(shí)保證振幅穩(wěn)定是系統(tǒng)是否可靠的重要指標(biāo)之一。當(dāng)流體的介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)如流體的密度發(fā)生變化 （如兩相流、批料流）時(shí)，這時(shí)流量管諧振頻點(diǎn)被打破必需快速的尋找到新的諧振頻率點(diǎn)進(jìn)行正確的測(cè)量。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路由模擬電路實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是起振慢，而且容易受到外界的干擾，電路較為復(fù)雜，尤其電子器件本身的公差范圍造成測(cè)量精度限制。數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)要明顯快于模擬的驅(qū)動(dòng)，便于驅(qū)動(dòng)增益的快速調(diào)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)字驅(qū)動(dòng)的軟件較為復(fù)雜需要微處理器參與計(jì)算、控制。所以文中對(duì)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)做了全面的介紹。

 

            盡管基于 DAC 的半數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式可以在流量管起振的非常初階段提供較大的增益，但此時(shí)傳感器輸出信號(hào)很小，驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要持續(xù)一段時(shí)間，穩(wěn)定后退出飽和需要一定時(shí)間。但基于波形合成的數(shù)字方式能根據(jù)增益、信號(hào)頻率、相位等信息合成需要的波形，不受傳感器信號(hào)幅值的限制，因此不僅能在起振初期就提供很大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，加快起振，而且能在進(jìn)入穩(wěn)定后迅速切換到諧振驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。全數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由 DSP 內(nèi)部合成，硬件電路簡(jiǎn)單，軟件復(fù)雜。基于 DSP 內(nèi)部波形合成的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由 Codec 內(nèi)部 DAC 輸出，該 DAC 為差分輸出且偏置至 1.5V，差分信號(hào)經(jīng)放大、濾波，經(jīng) Howland 電流型功放電路驅(qū)動(dòng)激振器。U1 實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)的功能，U1 及外圍阻容器件構(gòu)成差分低通濾波器。U1 的 OUT+與U2 的 OUT+幅值相等，相位差 180，R5=2×R2，對(duì) DAC 輸出差分信號(hào)放大，然后 U1 同相輸入端的直流分量為 1.5V，而U1 輸出交流分量幅值減半。U2 輸出幅值為 AOUT+，這時(shí)U1 輸出為 0V 對(duì)應(yīng)差分信號(hào)的下面部分輸出，在取樣電阻上面有浮地交流信號(hào)，大小等于 5*Idr。電路中選用了大電流 200mA 的單運(yùn)放，另選用 0.1%高精度、小溫漂 10-25ppm的電阻與 NPO 電容盡量提高驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性能。另外在驅(qū)動(dòng)電路里面加入兩個(gè) 25Ω 作為功能安全限流需求，有些電路還在驅(qū)動(dòng)輸出端用雙向鉗位管作齊納柵的保護(hù)處理。

 

4 汽車壓縮天然氣流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

            實(shí)驗(yàn)之前有兩點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)：①科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度需在適宜的流速下才能達(dá)到要求，如果管道比較大而測(cè)量的流量比較小，為保證流速與測(cè)量精度，需要對(duì)縮徑的流量計(jì)加以選用，但是如果縮徑太多，會(huì)大幅度增加流量計(jì)的前后壓差，這有可能會(huì)大于工藝所要求的非常大允許壓差，顯然無(wú)法滿足工藝要求。此外，流速也并非越大越好，如果流速過(guò)大，壓降也會(huì)過(guò)大，這會(huì)增加對(duì)流量計(jì)的沖刷能量，進(jìn)一步對(duì)流量計(jì)的測(cè)量精度及使用壽命產(chǎn)生影響。在一般情況下，流速以小于 10m/s 為宜。所以，在進(jìn)行流量計(jì)的設(shè)計(jì)或選擇之時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到測(cè)量精度與允許壓差這 2 個(gè)條件，當(dāng)符合口徑與流量要求時(shí)，便可運(yùn)用專門軟件對(duì)非常大流量下的壓損與流速進(jìn)行測(cè)量。②在安裝變送器時(shí)，可選擇一體式或分體式 2 種方式，前者主要用于常溫流體流量測(cè)量，后者則在高溫流體或超溫流體流量測(cè)量工作中應(yīng)用比較廣泛。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量流體的溫度進(jìn)行考慮，以此為依據(jù)選擇適用的變送器安裝方式。由于文章研究的是汽車壓縮天然氣質(zhì)量流量測(cè)量，屬于常溫流體測(cè)量，故變送器安裝方式選用一體式安裝。

 

            考慮到以上內(nèi)容，本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能使汽車壓縮天然氣的流量管子快速起振并維持穩(wěn)定振幅，信號(hào)處理與采集系統(tǒng)采集兩路傳感器信號(hào)并計(jì)算出時(shí)間差 Delta T，效果較好。 

 

5 結(jié)論 

            基于 DAC 的半數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式，由于采用了非線性幅值控制算法，在振幅很小時(shí)能提供較大的增益，起振速度明顯快于模擬驅(qū)動(dòng)，但在穩(wěn)定后退出飽和過(guò)程需要時(shí)間，而且對(duì)于連續(xù)的兩相流響應(yīng)效果較差。基于波形合成的全數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電流不受傳感器信號(hào)幅值的影響，因此起振速度將快于 DAC 半數(shù)字驅(qū)動(dòng), 而且對(duì)兩相流響應(yīng)明顯加快。在全數(shù)字驅(qū)動(dòng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)了一些影響測(cè)量的因素，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，空管無(wú)流量?jī)陕穫鞲衅餍盘?hào)相位差存在漂移及固有偏差的情況，后來(lái)發(fā)現(xiàn)存在電子零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)偏移，電子零點(diǎn)偏移主要是溫度對(duì)濾波電容影響，還有電阻選取的精度影響，通過(guò)選用 NPO 型號(hào)電容與 0.1%精度電阻已經(jīng)得到較大改善，另外機(jī)械零點(diǎn)偏移主要由傳感器線圈與磁鐵放置對(duì)稱性好壞決定。

 

            現(xiàn)場(chǎng) EMC 干擾外接線纜也會(huì)影響傳感器信號(hào)相位差，非常后對(duì)線纜作了外屏蔽內(nèi)部單端接地處理消除了干擾。另外還發(fā)現(xiàn)同樣流速，相同密度下粘性大流體流過(guò)管子時(shí)傳感器信號(hào)相位差偏小，非常后分析粘度大的流體減小管子所受的 coriolis 力的大小，所以減小管子相應(yīng)形變位移，進(jìn)而減小了傳感器信號(hào)相位差，以上這些問(wèn)題將在后續(xù)工作中進(jìn)一步解決與優(yōu)化。