科氏质量流量计测量含气液体流量的方法与实现

陈帅

摘要：科氏质量流量计是一种具有广阔应用前景的直接式质量流量测量仪表，测量精度高、重复性好；同时，可以测量流体的密度，广泛应用于石油、化工、食品、制药等行业。在测量含气液体流量时，科氏质量流量计测量误差大，并且会出现流量管停振的现象。基于此，本文主要对科氏质量流量计测量含气液体流量的方法与实现进行分析探讨。

关键词：科氏质量流量计；含气液体流量；测量方法；实现措施

引言

现有研究数据表明，即使较低的含气量，也可能会引起非常大的流量测量误差;在含气量较高时，流量管的阻尼比变化会在2个数量级以上，如果变送器不能及时提供较大的驱动增益，流量管将停振，无法产生测量数据。所以，如何测量含气液体流量，即两相流下的液体测量，是科氏流量计面临的亟待解决的难题。

1 含气液体流量测量的要点

科氏质量流量计一次仪表均有一个最佳振动幅值。流量管在最佳振动幅值下振动，具有最佳的测量性能且使用寿命最长。在单相流下，流量管的阻尼比很小，较低的驱动能量就可以使流量管振动在最佳幅值。但是，遇到含气液体时，由于气体与液体的密度差异，导致气体和液体之间会发生相对运动。这个相对运动带来的摩擦使流量管振动阻尼比剧增，消耗更多的驱动能量，如果变送器不能及时地提供足够的能量，流量管的振幅会减小甚至停振，流量测量将失去工作基础。提高驱动能量，即提高驱动电压的幅值，但在实际工业现场，出于本安防爆的考虑，驱动电路后级必须加入安全栅电路，对驱动电压和驱动电流进行限制。因此，在安全栅限制驱动能量的前提下，当测量含气液体流量时，流量管振动幅值就很难维持在单相流下最佳振动幅值的水平。此时，若要保证流量管平稳振动，就需要降低流量管的振动幅值。流量管具有选频特性，当驱动信号的频率等于流量管的固有频率且驱动信号的相位与传感器信号的相位匹配时，传感器信号以最大增益输出。此时，驱动能量的利用率最高，传感器信号最平稳，可以尽可能地提高传感器信号的振动幅值。

1.1 基于FPGA控制数字驱动

数字驱动，即驱动信号全部由微处理器根据信号的频率、相位、幅值信息来合成，进而驱动流量管振动。数字驱动的原理框图如图 1 所示。

图 1 数字驱动原理框图

基于FPGA控制的数字驱动系统中，FPGA是通过检测传感器信号的过零点，来计算并更新驱动信号的参数。驱动信号的频率参数采用三点反向Lagrange插值算法拟合过零点和计算单周期内采样点数得到；相位参数是求取数字滤波器造成的非线性相位延迟和其它线性相位得到；幅值参数是利用非线性幅值控制算法计算得到。一个信号周期含有两个过零点，为了便于区别，将一个信号周期的两个过零点分为正过零点和负过零点。正负过零点是通过比较当前采样点与上一个采样点符号位来判断，若符号位相反且当前采样点为正，则为正过零点；若符号位相反且当前采样点为负，则为负过零点。对于驱动信号的频率和相位参数，是检测到传感器信号的正过零点和负过零点均计算更新。因此，FPGA是半个传感器信号周期更新驱动信号频率、相位信息；单个传感器信号周期更新驱动信号幅值信息。与基于DSP控制的数字驱动相比，驱动信号的更新速度更快。

为了验证在测量含气液体流量时，驱动信号的快速更新是否能更好地维持流量管振动，基于FPGA驱动的变送器与基于 DSP驱动的变送器分别匹配Micro Motion DN25型科氏质量流量传感器，满管固有频率为102Hz，在水流量为60kg/min，不同含气量下，进行驱动效果对比实验。为了直观的描述不同驱动方法的驱动效果，在实验过程中，使用数据采集卡NI USB 6216实时采集速度传感器信号，用于后续分析。

在30%密度降下，FPGA驱动的传感器输出信号较DSP驱动的传感器输出信号信噪比更高。为了进一步比较驱动效果，取一段采集的速度传感器输出信号，计算这段信号中所有正峰值的平均值和方差来表征不同驱动方法的驱动效果。因为平均值越高，驱动方法的输入能量转化率越高，故驱动效率越高；而方差越小，波动越小，信号越稳定。不同密度降下基于FPGA驱动变送器和基于DSP驱动变送器的比较结果。不同密度降下流量管振动幅值不同。因为，在测量含气液体流量时,变送器一直以最大驱动电压驱动流量管振动。但是，不同密度降下，流量管的阻尼比不同。因此，在均以最大驱动电压驱动流量管的情况下，不同密度降下流量管可以达到的振动幅值不同。含气量越大，消耗的能量越多，流量管可以达到的振动幅值越低。变送器的驱动电压不能无限增大，因为在实际工业现场，出于本安防爆的考虑，驱动电路后级必须加入安全栅电路，对驱动电压和驱动电流进行限制。因此，基于FPGA驱动的变送器比基于DSP驱动的变送器驱动效率更高，传感器输出信号的波动性更小，在测量含气液体流量时，能更好地维持流量管振动。

1.2 信号处理技术

信号处理技术的关键是对两路传感器信号的相位差、频率和幅值进行准确的测量。当测量含气液体流量时，流量管内的流型很复杂。气体的冲击，使得传感器信号波动很大，即信号的频率、相位和幅值波动很大。因此，信号处理算法需要能及时跟踪信号参数的变化，具有较好的动态响应性，才能处理含气液体流量信号。同时，由于频率变化，相位差计算精度直接依赖频率的计算精度的信号处理方法也不适合含气液体流量的测量。当测量含气液体流量时，流量管阻尼比剧增，模拟驱动技术下流量管出现停振现象，流量测量失去工作基础。为此，需采用数字驱动技术，通过快速跟踪传感器信号频率、相位和幅值的变化，来及时地更新驱动信号参数，维持流量管的振动。故需要信号处理算法运算量小。

1.3 误差修正技术

含气液体流量的测量误差很大，需要采用误差修正技术进行修正。在测量含气液体流量时，被检表由于受到气体的干扰，测量误差复杂，特别是当气体含量较高时，测量误差表现出非线性、非单调性的特点。质量流量是时间差的函数。用概率密度分析时间差序列的分布规律，再通过相关分析得到时间差序列的数学模型。模型包含稳定分量和波动分量。由于时间差序列存在稳定分量，因此，采用误差修正方法对原始测量误差进行修正来提高测量精度是合理的。但是，由于稳定分量与流量和密度降之间的关系是非线性的，因此，即使采用误差修正技术也是无法得到完全修正的。同时，波动分量受仪表实时性的要求，也只能在一定程度上减小。数学模型解释了科氏质量流量计测量含气液体流量的精度无法达到单相流的测量精度的原因。误差修正技术修正的是稳定分量，由于误差非线性，必须采用非线性建模的方法预测误差。同时，一般用来建模的数据是有限的，而科氏质量流量计在线预测时会对不同流量点、不同含气量进行误差预测并修正，这要求采用的误差修正方法不仅能对训练过的数据进行预测，还能对没有训练过的数据进行良好的预测，即具有良好的泛化能力。

2 结论

由于我国现使用的质量流量计大多都是进口的，价格不低，而且质量流量计主要用于贸易结算，所以在标定和使用上，应尽量减少不利因素的影响，提高准确度，使它们更好地发挥计量职能。

参考文献：

［1］李叶，徐科军，朱志海，等．面向时变的科里奥利质量流量计信号的处理方法研究与实现［J］．仪器仪表学报，2010，31(1):8-14．

［2］董帅,徐科军,侯其立,陶波波,刘铮.微弯型科氏质量流量计测量气-液两相流研究[J].仪器仪表学报.2015(09)