对能源的精确计量是提高能源使用效率的基础,而科氏质量流量计可以直接测量流体的质量流量且测量精度高,已经广泛地应用在各个需要对能源进行计量的场合,如石油、天然气、化工、制药等行业。当前,科氏质量流量计已经成功的应用于对连续、平稳的单相流的测量。但在科氏质量流量计的实际应用中,会出现对批料流和气液两相流进行测量的场合。而在测量批料流时,流量信号会发生突变,传统的信号处理方法因响应速度慢而无法及时跟踪流量信号的变化；在测量气液两相流时,流量管阻尼比会骤增,传统的模拟驱动方法因驱动增益有限、驱动控制不灵活等缺点会导致流量管停振,无法测量；并且气液两相流会导致很大的测量误差,必须要对测量结果进行修正,否则测量结果没有实用意义。

为此,本文从数字信号处理方法、数字驱动方法和测量误差修正方法3个方面展开了研究工作。针对已有的格型自适应谱线增强器和DTFT算法动态特性差、无法处理批料流和气液量两相流下传感器信号的问题,本文首先提出采用突变信号模型模拟批料流下传感器信号,采用ARMA模型模拟气液两相流下的传感器信号,然后使用该模型对算法的动态特性进行分析,并分别从DTFT初始化时间、频率更新时间和格型自适应谱线增强器的收敛时间3个方面对整套算法进行改进,提高了整套算法在测量批料流和气液两相流时的响应速度和响应精度。针对微弯型、直管型等信号频率较高的科氏质量流量计,提出一种基于Lagrange插值的数字式过零检测算法处理传感器信号。整套算法运算量小,具有较好的动态响应速度,并保证了计算精度,可用于测量批料流和气液两相流下的传感器信号。针对传统模拟驱动方法在气液两相流下不能维持流量管振动的问题,本文研究了一种基于MDAC和DDS的数字驱动方法,以保证流量管在气液两相流下继续工作。该驱动方法中,DSP通过DDS器件控制驱动信号的频率、相位,通过MDAC器件控制驱动信号的幅值。因DDS可以自动合成所需频率、相位信息的正弦波信号,因而减小了波形合成的运算量,节省了存放合成波形数据的存储空间,并保证了该驱动方法可以在DSP上实时实现。

本文同时研究了这种驱动控制方法中的启振方法以及频率、相位、幅值的跟踪控制方法。为实时实现数字信号处理方法和数字驱动控制方法,本文基于TMS320F28335研制了数字式科氏质量流量变送器系统,并对变送器系统进行了启振性能测试和水流量标定测试。启振实验数据表明,与CMF025型号传感器相匹配时,采用的数字驱动方法可以可靠地使流量管启振,并将启振时间从模拟驱动的15s减小至2s以内；水流量标定数据表明,研制的变送器测量精度优于0.1%,重复性优于0.05%,对于CMF025型号传感器,量程比达到15：1,对于一15mm微弯型传感器,量程比达到20:1。为考察所研制变送器的动态性能,本文进行了批料流和气液两相流下的动态特性实验研究。从提高信号处理快速性和驱动控制及时性两个方面入手,将研制的变送器与CMF025型号传感器相配合,分别进行了批料流测量实验和两相流驱动控制实验。实验结果表明,研制的变送器系统响应时间小于0.5s,批料流量测量误差小于0.15%,平稳流量测量误差小于0.1%；在气液两相流发生时,变送器可及时跟踪传感器信号变化,改善了传感器信号幅值衰减的问题,在气液两相流结束时,变送器可快速使流量管恢复至正常振动状态,解决了传感器信号幅值大幅度超调的问题。

针对科氏质量流量计在气液两相流下测量误差大的问题,提出采用BP人工神经网络对液体流量和混合物密度测量误差进行修正。通过进行气液两相流实验,获取气液两相流下液体流量和混合物密度的测量误差样本,并通过不同神经网络间的性能对比,选择BP神经网络对测量误差进行建模和在线修正。在线修正的数据表明,对于CMF025型号传感器,水流量在3kg/min～15kg/min范围变化、含气量在0～30%范围变化时,液体流量测量误差小于±3.5%,密度测量误差小于±2%。