一種基于流體狀態(tài)檢測的科氏流量計振幅自適應(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控制方法，尤其涉及一種基于流體狀態(tài)檢測的科氏流 量計振幅自適應(yīng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 科氏流量計具有高精度、寬量程比、重復(fù)性好的特點，代表了直接式質(zhì)量流量測量 技術(shù)的最高水平，在石油、化工、制藥、食品、貿(mào)易計量等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它的工作原理 是，利用流體在振動的管道中流動時所產(chǎn)生的與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力，直接地測 量質(zhì)量流量。
[0003] 科氏流量計是基于測量管的振動工作的，工業(yè)界普遍認為，測量管振動的振幅穩(wěn) 定對科氏流量計的精確計量具有重要影響。在科氏流量計應(yīng)用現(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)，流體狀態(tài)的改 變（如從單相流變?yōu)閮上嗔鳎饻y量管振動阻尼的變化，破壞測量管的振幅穩(wěn)定，進而 降低科氏流量計的計量精度。但是在科氏流量計的多種應(yīng)用場合，不可避免地經(jīng)常會出現(xiàn) 氣泡流（即液體中混入氣泡）或混入其它固體粒子，此時測量管振動系統(tǒng)阻尼可增大一到 兩個數(shù)量級，并發(fā)生劇烈跳動。科氏流量計中普遍采用正反饋驅(qū)動電路作為測量管振動系 統(tǒng)的驅(qū)動方案，即將測量管振動信號乘以一個驅(qū)動增益K之后直接作為驅(qū)動信號，因而測 量管振幅控制的關(guān)鍵在于驅(qū)動增益K的確定。驅(qū)動增益K是以振動信號幅值與設(shè)定幅值的 偏差作為輸入信號，經(jīng)由振幅控制器運算之后得到的。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，測量管振動系統(tǒng)的參數(shù)穩(wěn)定時，固定PID控制能取得非常穩(wěn)定 的振幅，保障科氏流量計的高精度優(yōu)勢。但在流體狀態(tài)改變，測量管振動系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變 化時，固定PID控制不能保持在最佳的控制性能，需要較長的穩(wěn)定時間，在變化較大的情況 下，甚至?xí)霈F(xiàn)測量管停振后無法再次起振，從而導(dǎo)致科氏流量計失效的情況。
[0004] 針對流體狀態(tài)改變引起測量管振動系統(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)振動幅值的變化，參考工業(yè)界PID參數(shù)的整定經(jīng)驗， 實時地調(diào)整PID參數(shù)，以對測量管振動系統(tǒng)的參數(shù)變化作出響應(yīng)，避免測量管的停振，并使 振幅快速恢復(fù)穩(wěn)定，提高科氏流量計在氣泡流或含其它雜質(zhì)情況下的可靠性與計量精度。 但是模糊PID控制在測量管振動系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，與固定PID控制相比，一方面會引 起PID參數(shù)的頻繁跳動，降低振幅控制的穩(wěn)態(tài)性能，對科氏流量計的計量造成負面影響，削 弱其高精度優(yōu)勢；另一方面，模糊PID控制方法需要實時對PID參數(shù)進行計算和調(diào)整，對系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)存儲能力要求高，長時運行會顯著增加系統(tǒng)功耗，提高科氏流量計的 應(yīng)用成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了獲得復(fù)雜流體狀態(tài)下科氏流量計測量管的振幅穩(wěn)定，本發(fā)明提供了一種基于 流體狀態(tài)檢測的科氏流量計振幅自適應(yīng)控制方法，針對不同的流體狀態(tài)采用不同的振幅控 制方法，增強振幅控制的自適應(yīng)性，在保持穩(wěn)態(tài)下科氏流量計的高精度優(yōu)勢的同時，改善其 動態(tài)響應(yīng)性能，提高科氏流量計在復(fù)雜工況下的可靠性和計量性能。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案的步驟如下：
[0007] 1)在科氏流量計測量管的入口端與流體管道之間安裝流體狀態(tài)檢測裝置，對流體 狀態(tài)進行檢測；流體狀態(tài)檢測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稱的兩側(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，通過閾值比較器比較檢測超聲波接收信號幅值是否發(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)實時根據(jù)上述步驟的流體狀態(tài)是否含有雜質(zhì)的結(jié)果，進行固定PID與模糊PID 振幅控制器的實時切換，實現(xiàn)流量計振幅自適應(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)在一個超聲波信號周期內(nèi)，所述閾值比較器輸出信號出現(xiàn)上升沿，表示流體狀 態(tài)為穩(wěn)態(tài)，超聲波接收信號幅值未發(fā)生突變其中不含有雜質(zhì)；當(dāng)在至少一個超聲波信號周 期內(nèi)，所述閾值比較器輸出信號未出現(xiàn)上升沿，超聲波接收信號幅值發(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：若檢測得到流體中含有雜質(zhì)，則 將單片機的工作模式切換到模糊PID振幅控制器；若檢測得到流體中不含有雜質(zhì)；則將單 片機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，單片機連接有用于超聲波接收信號幅值判斷中 周期定時的定時器，單片機經(jīng)驅(qū)動模塊與科氏流量計測量管的控制端連接，單片機由切換 的控制器產(chǎn)生驅(qū)動增益信號傳送到科氏流量計測量管進行控制。
[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)明在科氏流量計測量管入口上游使用一對液體超聲波換能器對管道內(nèi)流體 狀態(tài)進行檢測，利用閾值比較器對超聲波接收信號進行處理和比較，對流體狀態(tài)進行預(yù)判。
[0018] 當(dāng)流體為穩(wěn)態(tài)無氣泡等雜質(zhì)時，采用穩(wěn)態(tài)實驗下整定得到的固定PID控制器進行 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，采用氣泡流仿真優(yōu) 化得到的模糊PID控制器進行振幅控制，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，避免測量管的停振，并快 速重建穩(wěn)定振動。
[0019] 本發(fā)明方法增強了科氏流量計測量管振幅控制的自適應(yīng)性，提高了科氏流量計在 復(fù)雜工況下的可靠性和計量性能。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的流體狀態(tài)檢測裝置安裝示意圖。
[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)檢測裝置；3、科氏流量計測量管；4、氣泡；5、閾值 比較器；6、單片機；7、定時器；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。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0025] 本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0026] 1)如圖1所示，在科氏流量計測量管3的入口端與流體管道1之間安裝流體狀態(tài) 檢測裝置2,對流體狀態(tài)進行檢測；如圖2所示，流體狀態(tài)檢測裝置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對稱的兩側(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，單片機連接有定時器，單片機經(jīng)驅(qū)動模塊與科氏流量計測量管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，通過閾值比較器5比較檢測超聲波接收信號幅值是否發(fā)生突變，超聲波經(jīng) 流體內(nèi)雜質(zhì)衰減后會使得超聲波接收信號幅值發(fā)生變化進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是否發(fā)生突變可通過上升沿來判斷的，如果出現(xiàn)了上升 沿，幅值未突變；若不出現(xiàn)上升沿，則信號幅值變小了，發(fā)生了突變。
[0029] 本發(fā)明流體狀態(tài)檢測裝置2包括一個液體超聲波發(fā)射器和一個液體超聲波接收 器，它們安裝在科氏流量計測量管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有能量損失，而氣泡或其它粒子等雜質(zhì)對超聲波信號有衰減作 用，會造成超聲波接收信號幅值的驟然降低。
[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