一種基于流體狀態(tài)檢測(cè)的科氏流量計(jì)振幅自適應(yīng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種科氏流量計(jì)控制方法，尤其涉及一種基于流體狀態(tài)檢測(cè)的科氏流 量計(jì)振幅自適應(yīng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 科氏流量計(jì)具有高精度、寬量程比、重復(fù)性好的特點(diǎn)，代表了直接式質(zhì)量流量測(cè)量 技術(shù)的最高水平，在石油、化工、制藥、食品、貿(mào)易計(jì)量等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它的工作原理 是，利用流體在振動(dòng)的管道中流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力，直接地測(cè) 量質(zhì)量流量。
[0003] 科氏流量計(jì)是基于測(cè)量管的振動(dòng)工作的，工業(yè)界普遍認(rèn)為，測(cè)量管振動(dòng)的振幅穩(wěn) 定對(duì)科氏流量計(jì)的精確計(jì)量具有重要影響。在科氏流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)，流體狀態(tài)的改 變（如從單相流變?yōu)閮上嗔鳎?huì)引起測(cè)量管振動(dòng)阻尼的變化，破壞測(cè)量管的振幅穩(wěn)定，進(jìn)而 降低科氏流量計(jì)的計(jì)量精度。但是在科氏流量計(jì)的多種應(yīng)用場(chǎng)合，不可避免地經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) 氣泡流（即液體中混入氣泡）或混入其它固體粒子，此時(shí)測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)阻尼可增大一到 兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并發(fā)生劇烈跳動(dòng)?？剖狭髁坑?jì)中普遍采用正反饋驅(qū)動(dòng)電路作為測(cè)量管振動(dòng)系 統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案，即將測(cè)量管振動(dòng)信號(hào)乘以一個(gè)驅(qū)動(dòng)增益K之后直接作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因而測(cè) 量管振幅控制的關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)增益K的確定。驅(qū)動(dòng)增益K是以振動(dòng)信號(hào)幅值與設(shè)定幅值的 偏差作為輸入信號(hào)，經(jīng)由振幅控制器運(yùn)算之后得到的。目前最常用的振幅控制方法是固定 PID控制，在流體介質(zhì)單一，測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，固定PID控制能取得非常穩(wěn)定 的振幅，保障科氏流量計(jì)的高精度優(yōu)勢(shì)。但在流體狀態(tài)改變，測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變 化時(shí)，固定PID控制不能保持在最佳的控制性能，需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，在變化較大的情況 下，甚至?xí)霈F(xiàn)測(cè)量管停振后無(wú)法再次起振，從而導(dǎo)致科氏流量計(jì)失效的情況。
[0004] 針對(duì)流體狀態(tài)改變引起測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)快速變化的情況，已有的解決方案 是模糊PID振幅控制方法。該方法根據(jù)振動(dòng)幅值的變化，參考工業(yè)界PID參數(shù)的整定經(jīng)驗(yàn)， 實(shí)時(shí)地調(diào)整PID參數(shù)，以對(duì)測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)變化作出響應(yīng)，避免測(cè)量管的停振，并使 振幅快速恢復(fù)穩(wěn)定，提高科氏流量計(jì)在氣泡流或含其它雜質(zhì)情況下的可靠性與計(jì)量精度。 但是模糊PID控制在測(cè)量管振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，與固定PID控制相比，一方面會(huì)引 起PID參數(shù)的頻繁跳動(dòng)，降低振幅控制的穩(wěn)態(tài)性能，對(duì)科氏流量計(jì)的計(jì)量造成負(fù)面影響，削 弱其高精度優(yōu)勢(shì)；另一方面，模糊PID控制方法需要實(shí)時(shí)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，對(duì)系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力要求高，長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行會(huì)顯著增加系統(tǒng)功耗，提高科氏流量計(jì)的 應(yīng)用成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了獲得復(fù)雜流體狀態(tài)下科氏流量計(jì)測(cè)量管的振幅穩(wěn)定，本發(fā)明提供了一種基于 流體狀態(tài)檢測(cè)的科氏流量計(jì)振幅自適應(yīng)控制方法，針對(duì)不同的流體狀態(tài)采用不同的振幅控 制方法，增強(qiáng)振幅控制的自適應(yīng)性，在保持穩(wěn)態(tài)下科氏流量計(jì)的高精度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，改善其 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高科氏流量計(jì)在復(fù)雜工況下的可靠性和計(jì)量性能。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案的步驟如下：
[0007] 1)在科氏流量計(jì)測(cè)量管的入口端與流體管道之間安裝流體狀態(tài)檢測(cè)裝置，對(duì)流體 狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；流體狀態(tài)檢測(cè)裝置包含液體超聲波發(fā)射器、液體超聲波接收器和閾值比較 器，液體超聲波發(fā)射器、液體超聲波接收器分別安裝在安裝管段對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)，液體超聲波接 收器連接閾值比較器；
[0008] 2)液體超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波經(jīng)安裝管段內(nèi)的流體后被液體超聲波接收器 接收，通過(guò)閾值比較器比較檢測(cè)超聲波接收信號(hào)幅值是否發(fā)生突變，若未發(fā)生突變則流體 中不含有雜質(zhì)，若發(fā)生突變則流體中含有雜質(zhì)；
[0009] 3)實(shí)時(shí)根據(jù)上述步驟的流體狀態(tài)是否含有雜質(zhì)的結(jié)果，進(jìn)行固定PID與模糊PID 振幅控制器的實(shí)時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)振幅自適應(yīng)控制。
[0010] 所述的流體內(nèi)雜質(zhì)包括氣泡或者固體粒子。
[0011] 當(dāng)在一個(gè)超聲波信號(hào)周期內(nèi)，所述閾值比較器輸出信號(hào)出現(xiàn)上升沿，表示流體狀 態(tài)為穩(wěn)態(tài)，超聲波接收信號(hào)幅值未發(fā)生突變其中不含有雜質(zhì)；當(dāng)在至少一個(gè)超聲波信號(hào)周 期內(nèi)，所述閾值比較器輸出信號(hào)未出現(xiàn)上升沿，超聲波接收信號(hào)幅值發(fā)生突變其中含有雜 質(zhì)。
[0012] 所述步驟2)閾值比較器采用模擬式單閾值比較器。
[0013] 所述的閾值電壓接入閾值比較器的反相端，超聲波接收信號(hào)接入閾值比較器的同 相端。
[0014] 所述步驟3)中振幅控制器的切換方式具體如下：若檢測(cè)得到流體中含有雜質(zhì)，則 將單片機(jī)的工作模式切換到模糊PID振幅控制器；若檢測(cè)得到流體中不含有雜質(zhì)；則將單 片機(jī)的工作模式切換到固定PID振幅控制器。
[0015] 所述的閾值比較器連接有單片機(jī)，單片機(jī)連接有用于超聲波接收信號(hào)幅值判斷中 周期定時(shí)的定時(shí)器，單片機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊與科氏流量計(jì)測(cè)量管的控制端連接，單片機(jī)由切換 的控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)增益信號(hào)傳送到科氏流量計(jì)測(cè)量管進(jìn)行控制。
[0016] 本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比具有的有益效果是：
[0017] 本發(fā)明在科氏流量計(jì)測(cè)量管入口上游使用一對(duì)液體超聲波換能器對(duì)管道內(nèi)流體 狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，利用閾值比較器對(duì)超聲波接收信號(hào)進(jìn)行處理和比較，對(duì)流體狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。
[0018] 當(dāng)流體為穩(wěn)態(tài)無(wú)氣泡等雜質(zhì)時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)下整定得到的固定PID控制器進(jìn)行 振幅控制，獲得穩(wěn)態(tài)下的高精度控制性能；當(dāng)流體中含有氣泡等雜質(zhì)時(shí)，采用氣泡流仿真優(yōu) 化得到的模糊PID控制器進(jìn)行振幅控制，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避免測(cè)量管的停振，并快 速重建穩(wěn)定振動(dòng)。
[0019] 本發(fā)明方法增強(qiáng)了科氏流量計(jì)測(cè)量管振幅控制的自適應(yīng)性，提高了科氏流量計(jì)在 復(fù)雜工況下的可靠性和計(jì)量性能。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的流體狀態(tài)檢測(cè)裝置安裝示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的流體狀態(tài)的超聲波檢測(cè)示意圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明的振幅自適應(yīng)控制方法流程圖。
[0023] 圖中：1、流體管道；2、流體狀態(tài)檢測(cè)裝置；3、科氏流量計(jì)測(cè)量管；4、氣泡；5、閾值 比較器；6、單片機(jī)；7、定時(shí)器；2_1、安裝管段；2_2、液體超聲波發(fā)射器；2_3、液體超聲波接 收器；2_4、墊片。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] 本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0026] 1)如圖1所示，在科氏流量計(jì)測(cè)量管3的入口端與流體管道1之間安裝流體狀態(tài) 檢測(cè)裝置2,對(duì)流體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；如圖2所示，流體狀態(tài)檢測(cè)裝置2包含液體超聲波發(fā)射 器2_2、液體超聲波接收器2_3和閾值比較器5,液體超聲波發(fā)射器2_2、液體超聲波接收器 2_3分別安裝在安裝管段2_1對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)，液體超聲波接收器2_3連接閾值比較器5 ;閾值 比較器5連接單片機(jī)，單片機(jī)連接有定時(shí)器，單片機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊與科氏流量計(jì)測(cè)量管3的 控制端連接，液體超聲波發(fā)射器2_2、液體超聲波接收器2_3通過(guò)墊片2_4安裝在安裝管段 2_1兩側(cè)的內(nèi)孔中；
[0027] 2)液體超聲波發(fā)射器2_2發(fā)射的超聲波經(jīng)安裝管段2_1內(nèi)的流體后被液體超聲波 接收器2_3接收，通過(guò)閾值比較器5比較檢測(cè)超聲波接收信號(hào)幅值是否發(fā)生突變，超聲波經(jīng) 流體內(nèi)雜質(zhì)衰減后會(huì)使得超聲波接收信號(hào)幅值發(fā)生變化進(jìn)而判斷其中是否含有雜質(zhì)；若未 發(fā)生突變則流體中不含有雜質(zhì)，若發(fā)生突變則流體中含有雜質(zhì)；其流體內(nèi)雜質(zhì)指的是可能 包括氣泡或者固體粒子。
[0028] 本發(fā)明的超聲波接收信號(hào)是否發(fā)生突變可通過(guò)上升沿來(lái)判斷的，如果出現(xiàn)了上升 沿，幅值未突變；若不出現(xiàn)上升沿，則信號(hào)幅值變小了，發(fā)生了突變。
[0029] 本發(fā)明流體狀態(tài)檢測(cè)裝置2包括一個(gè)液體超聲波發(fā)射器和一個(gè)液體超聲波接收 器，它們安裝在科氏流量計(jì)測(cè)量管3的入口端上游；液體超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波在均 勻密度的液體中傳播幾乎沒(méi)有能量損失，而氣泡或其它粒子等雜質(zhì)對(duì)超聲波信號(hào)有衰減作 用，會(huì)造成超聲波接收信號(hào)幅值的驟然降低。
[0030] 優(yōu)選的閾值比較器5采用模擬式單閾值比較器。閾值電壓接入閾值比較器5的反 相端，其閾