摘 要：在双U型科里奥利质量流量计（CMF）原理研究的基础上，设计了实现驱动系统的物理闭环和增益控制闭环。增益控制单元作为增益控制闭环和物理闭环的共用环节，由增益控制信号产生电路和自动增益控制电路组成，前者检测来自物理闭环的振动幅度信息，并与设定安全值比较，后者根据比较结果利用场效应管的压阻特性来实现自动增益控制，以保证系统稳定工作。仿真结果表明电路设计与器件选择正确，预期功能实现良好。具体阐述了增益控制闭环的设计思路和设计实体。

关键字：科里奥利质量流量计；仿真；驱动系统；物理闭环；增益控制闭环；电路设计

    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。科里奥利质量流量计（CMF）可以精确地测量工业过程流量和流体密度，而且没有运动的机械部件及其带来的损耗，所以理论上讲CMF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：一些配方公式中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，以保证最大的产出和最小的浪费；要求生产流程中各部件具有高度可靠性。这样，CMF就成为最好的选择^[1]。

    1 双U型CMF原理

    目前CMF一次仪表有多种外型，本次研究对象选定的是双U形管CMF。激振线圈驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动，将长管处理成等长的两段：一端作为流体的入口；另一端为出口，并使之绕U形管中点转动。若管内没有流体，则两段管子的状态一样；若管内有流体，则由于质点在两段管内运动方向不同，在非惯性系中受到方向相反的科里奥利力。两段管子分别发生旋转减缓和加快的趋势，这样就产生一个相位差，这个相位差与管中流体质量有如下数学关系^[2～6]：

    式中：M为质量流量；θ为相位差；Ti为周期；K_s为流量管的角弹性模量；r为管子的半径；ω为管子的角速度；x为管子的长度。

    由以上分析过程可知，科里奥利力是产生相位差的直接原因，CMF正是通过测量该相位差而获得质量流量信息的。因此在CMF一次仪表设计中的一个难点是模拟非惯性参考系，以使得流体质点受到科里奥利力^[7～10]。

    2 CMF的系统结构

    一个完整的CMF由一次仪表、变送器和用户操作界面构成，如图1所示。

    一次仪表通过标准法兰盘连接在管路中，实时接收流体的质量流量、密度和温度相关的诸信息。由变送器对一次仪表的输出信号进行处理。

    图1中的驱动系统（见图2）是用来模拟非惯性参考系的重要模块。该系统产生稳定的正弦信号，驱动一次仪表的激振线圈工作，并且该信号的频率必须能根据流体密度自动变化，这就要求驱动系统满足以下两个条件：a。能稳定地产生正弦信号；b。能跟踪频率的变化。因此，驱动系统应该是一个自激系统，其振动不依赖于外部频率，同时自激振荡幅度必须维持在合适的水平。

    设计的驱动系统由两个闭环构成：其一是在U型管某一臂上的传感器和激振线圈之间通过支架实现的物理闭环；其二是用来控制激振信号幅度的增益控制闭环。物理环节必须解决两个问题：一是驱动波形必须有足够大的幅度和功率，因此必须有电压放大单元和功率放大单元，二是反馈回路应满足正反馈的条件，因此必须具备相位调节单元。

    3 增益控制闭环各单元电路设计及其仿真

    增益控制闭环以拾振器的输出为输入信号。由于拾振器的输入信号反映了激振信号的幅度，因此可以观察拾振器的某些参数来控制物理闭环的激振信号输出，避免激振信号幅度过大。可以通过整流器提取拾振器信号的幅度，通过该幅值与某预设幅度的比较来判断当前激振振幅是否过大，进而控制物理闭环的增益来规避振幅过大。

    3.1 自动增益控制信号产生电路及其仿真

    由整流器提取幅度信号后，应产生自动增益控制信号，控制对物理闭环输入信号的放大倍数。该电路通过激振幅值与预设值的比较来决定输出，因此利用差分放大电路实现。但系统提出了特殊的要求：当激振幅度等于预期幅度时，输出不能为零，因此传统的桥式差分电路不能用于此处。设计了如图3所示的电路来满足需求。

    该电路的输入输出电压满足如下关系

    V_o=（1+R₄/R₃）V+-（R₄/R₃）V，式中：V+为正向输入电压；V为设定电压。

    仿真表明：当负相输入V-（激振幅度）小于预设电压时，输出为正；当负相输入等于预设电压时，输出亦为预设电压；当负相输入大于预设电压时，输出电压不能立即为负，但也能让输出电压立即变小。仿真结果如图4所示，可见该电路的输出能灵敏地反映激振与预设幅值的相对大小。

    3.2 自动增益控制输出电路设计

    此单元电路同时处于增益控制闭环和物理反馈环中，设计时要综合考虑。物理反馈环中，该电路应具有普通的放大器功能，并可以调节在该反馈环中的增益；在增益控制反馈环中，该电路作为与物理反馈环的接口，通过差分放大器的输出信号控制这一级的增益。上一级输出信号含有关于受控幅度的重要信息，因此考虑电压控制阻抗器件，设计原型电路如图5所示。

    对以上电路进行理论分析得到增益为

    A=（1-α）（R₅/R₂）+（R₅R₄/（R₆R₂）），

    通过调节电位器R₁，可以调节物理闭环中的增益。增益闭环控制通过压控器件等效电阻R6的变化来实现：当激振幅度过大时，需要压阻器件的等效电阻R₆自动迅速变大，以降低增益；当R₆过小时，理论增益太大，会产生削幅现象，此时可以通过调节电位器改变α的值，进而使增益正常；由以上分析可见，只要选取合适的器件，使其压阻特性能满足特定的要求，就可以满足设计需要。而场效应管是典型的电压控制器件^[7]，能否由场效应管实现上述设想，关键在于针对场效应管阻值对控制电压V_GS的反应来设计符合满足需要的场效应管。

    3.3 场效应管的选择及限幅电路的引入

    当整流幅度大于预设值（即在V_GS为负值）时，场效应管阻R₆应迅速变得非常大，最好处于夹断状态，使得激振幅度能立即降低到合理水平；当整流幅度小于预设值时，此时场效应管应保持阻值稳定，增益控制电路的特性不随着差分放大输出幅度的变化而大幅变化。

    上述要求仅依靠场效应管是无法实现的，需要在差分输出和增益控制间引入限幅电路，使得当经过高倍放大的差分输出为正时限定在某个幅度，而差分输出为负时能正常输出到V_GS。设计如图6所示的限幅电路。

    对于场效应管而言，当增益控制信号即VGS稳定在一个较小的正值时，要求其等效电阻R₆较小。并不是所有场效应管都能满足这一点的，仿真发现，采用J308N沟道结型场效应管能够满足要求。

    3.4 增益控制闭环整体仿真

    依照上述的设计思路，确定了增益自动控制闭环的结构。取V⁺=2.3V，差分放大器增益为21.2，限幅二极管为1N1418，增益控制输入幅值为200mV，增益控制电路最小增益为0.56，用国产场效应管3DJ3C^[7]代替进口J308N沟道结型场效应管。按预设结构搭建仿真电路，得到如表1的仿真数据。

    将整流输出幅度V_GCI与增益控制电路的输出电压幅值V_GCO绘制为散点图，得到如图7所示的曲线。

    由图7可知，当整流幅度低于设定电压2.3V时，输出稳定在1000mV左右，当高于2.7V时，输出稳定在112mV左右，正好对应于增益控制电路的最小增益。因此，设计的电路能较好地实现自动增益控制的功能。

    增益控制电路同时处于增益控制闭环和物理反馈环中，设计时要综合考虑来自两个闭环的要求；在增益控制反馈环中，该电路作为与物理反馈环的接口，首先要产生包含比较信息的增益控制信号，然后根据该信号自动调节整体闭环增益；设计的主要难点包括：差分输入为零时输出不能为零；找到压阻特性满足设计需要的控制器件。设计在传统电路上进行了创新，并灵活选用电子器件和辅助电路，较好地解决了以上难点。

    实验结果表明，设计的电路能很好地服务于科里奥利质量流量计驱动系统，使其稳定保持在振动状态。

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