科氏质量流量计流量管振动模型与FPGA数字驱动技术

发布时间：2020-10-27 06:28

　　 科氏质量流量计是一种可以直接测量气体和液体质量流量的高精度流量计,正在被广泛地应用于石油化工、化学制药和食品安全等领域。驱动技术作为其重要的组成部分,在科氏质量流量计工作时起着关键的作用。而利用器件合成驱动信号的数字驱动技术,由于可以维持流量管在气液两相流等复杂工况下的振动,正在被科氏质量流量计生产厂家所采用,但是,在数字驱动技术中,仍存在一些问题需要解决。针对如何确定流量管的振动特性,并使变送器更好地控制流量管振动幅值的问题,提出采用机理分析与实验研究相结合的方法,建立流量管振动系统的数学模型。首先通过机理分析,构建流量管振动系统的二阶模型框架;再采用有限长度的正弦波激励流量管,根据速度传感器输出的自由衰减振荡信号、稳态下的激励信号幅值和输出信号幅值确定模型参数。建立单相流工况和气液两相流工况下的流量管振动系统数学模型,分析模型的差异,为流量管振动幅值的控制奠定基础。针对数字驱动幅值控制中对数误差底数和不同流量管的PI参数无具体确定方法的问题,设计并实现了这两类参数的整定方法。建立流量管振动系统的二阶数学模型,它在稳态下相当于一个固有增益,这为PI参数的整定提供了基准。根据期望值的不同,选取不同底的对数误差作为后续控制器的输入,以满足对动态特性和稳态特性的要求。采用PI控制器控制幅值,以幅值闭环系统的增益预设PI参数,再根据实际的动态效果和稳态效果确定最终参数。控制不同的流量管时,根据它们的稳态特性按比例关系调节PI参数。针对基于DSP的数字驱动的驱动信号更新周期太长,导致驱动效果欠佳的问题,研制了基于FPGA的科氏质量流量计数字驱动系统,包括硬件电路部分和软件程序部分。电路部分由信号调理电路、数字驱动电路等组成。程序部分使用Verilog HDL(硬件描述语言)语言编写,包括数据通信、IIR(无限冲击响应)数字滤波和计算驱动参数等。在单相流工况下,对基于FPGA驱动系统的变送器进行了水流量标定实验,结果表明:相对误差小于0.1%,重复性优于0.05%。在气液两相流工况下,将基于FPGA的数字驱动与基于DSP(数字信号处理器)的数字驱动的驱动效果进行比较,结果表明:FPGA驱动的驱动效果优于DSP驱动的效果。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH814.6;TN791
【部分图文】：

图 1. 1 科氏质量流量计组成Figure 1.1 The composition of Coriolis mass flowmeter根据科氏质量流量计一次仪表形状的不同，可将其分为弯管

图 1. 2 科氏质量流量计一次仪表流量管形状Figure 1.2 The shape of Coriolis Primary instrument flow tube如图 1.2 所示为几种典型的科氏质量流量计一次仪表的流量管。其

图 1. 4 科氏力的产生原理Figure 1.4 Principle of Coriolis force流量计在工作过程时，流量管无法做完整的旋，流量管做的是角度有限的简谐振动，其振动幅
【参考文献】

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本文编号：2858183