應(yīng)用PLD實(shí)現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)字部分設(shè)計(jì)
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引言
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（Corioils Mass Flowmeter，簡稱CMF）是一種利用流體在振動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科氏力為原理所制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。當(dāng)前，基于此原理已開發(fā)研制了多種科氏流量計(jì)并得到廣泛應(yīng)用。但是，它們普遍存在精度低、體積大、功耗大等問題。我們利用PLD器件開發(fā)研制了新一代U形雙管式科氏質(zhì)量流量計(jì)。它可以偵測流體的流速、密度、流量、溫度等指標(biāo)，與現(xiàn)在普遍使用的科氏流量計(jì)相比具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。
本文主要這種新型科氏質(zhì)量流量計(jì)的系統(tǒng)工作原理，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)，并給出了實(shí)際應(yīng)用結(jié)果。
系統(tǒng)原理
圖1 為U形檢測管受力模型。兩根檢測管在電磁激勵(lì)器的激勵(lì)下，以其固有頻率振動(dòng)，其振動(dòng)相位相反。當(dāng)流體通過兩根檢測管時(shí)，由于振動(dòng)效應(yīng)而產(chǎn)生科氏力作用于兩檢測管，而使U形管發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其扭轉(zhuǎn)程序與管內(nèi)瞬時(shí)質(zhì)量流量成正比。位于檢測管的進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的兩個(gè)電磁檢測器，可檢測出兩路頻率相同，但有相位差的振動(dòng)信號。其相位差同瞬時(shí)流量成正比。振動(dòng)信號周期與流體密度密切相關(guān)，流體密度愈大，振動(dòng)周期愈大。因此通過對這兩路信號的相位差及周期進(jìn)行處理，可以得到流體的流速及密度。此外通過一個(gè)溫度傳感器，可獲得流體的溫度。
圖一 U形檢測管受力模型
將由檢測管所獲得的兩路信號以及溫度信號經(jīng)數(shù)字化后進(jìn)行處理，便得到流體密度、流速、溫度及累計(jì)流量等數(shù)據(jù)。利用PLD器件，我們實(shí)現(xiàn)了信號提取、處理、存儲、顯示以及差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)通信等功能，與現(xiàn)有的具有相同功能的科氏流量計(jì)相比大大減小了硬件規(guī)模。
數(shù)字部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊圖見圖2。按所實(shí)現(xiàn)的功能，可將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)大單元：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、意外保護(hù)單元以及控制單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元又可細(xì)分為數(shù)字化采樣和幀編碼；數(shù)據(jù)處理單元可細(xì)分為初步計(jì)算、零點(diǎn)校正和溫度補(bǔ)償。
圖二 數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊圖
1. 數(shù)據(jù)采集單元
原始的相位差、周期、溫度等信號需要經(jīng)過數(shù)字化后才可進(jìn)行進(jìn)一步處理。由檢測管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號通過模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號，連同溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號送至數(shù)據(jù)采集單元。在這里，它們被數(shù)字化采樣，而后進(jìn)行幀編碼再存儲于FIFO中。
2. 數(shù)據(jù)處理單元
數(shù)據(jù)處理單元主要功能是通過對相位差、周期、溫度等數(shù)據(jù)的處理以獲得流體的瞬時(shí)流速、密度以及累計(jì)流量等數(shù)據(jù)。利用通過線性擬合所得到的相位差與瞬時(shí)流量以及周期與流體密度的關(guān)系式，可以得到初步的流速及密度值。但由于存在零流量相位差以及溫度對流體質(zhì)量流量的影響，所以必須對初步值進(jìn)行零點(diǎn)校正與溫度補(bǔ)償，從而得到流體流速與密度值。通過對流體流速及累計(jì)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)可以測量質(zhì)量流量值。
3. 控制單元
控制單元為系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)數(shù)字部分的時(shí)序，使各部分穩(wěn)定正常工作。其完成的控制主要有：中斷控制與復(fù)用、數(shù)據(jù)存儲中的時(shí)分復(fù)用、讀寫控制、數(shù)據(jù)傳輸控制以及產(chǎn)生系統(tǒng)中各芯片的主要使能信號。比如，系統(tǒng)為響應(yīng)外部功能鍵而對單片機(jī)中斷的復(fù)用；對FIFO的讀寫時(shí)序與數(shù)據(jù)線上有效數(shù)據(jù)的時(shí)序配合；數(shù)據(jù)輸出與對外通信的時(shí)序邏輯，這些功能均在PLD中實(shí)現(xiàn)。
4. 數(shù)據(jù)傳輸單元
數(shù)據(jù)傳輸單元主要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與PC機(jī)的串行通信。一方面，它將信號處理單元所得到的流速、密度、流量等數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的高級處理；另一方面，它將PC機(jī)所發(fā)出的控制指令傳送至控制單元以對系統(tǒng)工作進(jìn)行控制。
5. 意外保護(hù)單元
這里所說的意外主要是指在實(shí)際環(huán)境中發(fā)生的意外掉電的情況。特別是累計(jì)流量值，如果不加以意外保護(hù)則無法連續(xù)統(tǒng)計(jì)因而達(dá)不到監(jiān)測效果。意外保護(hù)單元在意外發(fā)生時(shí)對數(shù)據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行保護(hù)，并在重新來電時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場。
關(guān)鍵技術(shù)
超大規(guī)模的可編程邏輯器件PLD是80年代出現(xiàn)的新技術(shù)，它具有反復(fù)可編程的特點(diǎn)，即只要改變器件的配置數(shù)據(jù)就可以改變器件的邏輯功能，并且一塊芯片可多次重復(fù)使用。這給系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來極大方便，大大減少了開發(fā)成本。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集單元以及系統(tǒng)控制核心都由PLD實(shí)現(xiàn)。
圖3 電路原理圖
首先通過邏輯功能的分類細(xì)化，將整個(gè)需在PLD中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)分解為多個(gè)有確定輸入輸出的小模塊。再通過圖形或文本的輸入方式，將各小模塊的邏輯功能實(shí)現(xiàn)。最后加以組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。然后，通過軟件仿真，對設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證，這主要是通過對仿真產(chǎn)生的波形時(shí)序圖的檢驗(yàn)完成的。如果仿真不正確，則需對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后再進(jìn)行驗(yàn)證；如仿真正確則對器件編程，將邏輯功能實(shí)現(xiàn)于EPLD器件中。圖3為數(shù)據(jù)采集與輸出部分的電路原理圖，圖4為仿真時(shí)序圖。
圖4 仿真時(shí)序圖
在數(shù)據(jù)采集單元中，以最高40MHz的采樣頻率對相位差等信號進(jìn)行數(shù)字化，使得相位差的測量精度達(dá)到0.025μs，大大高于同類型的質(zhì)量流量儀表。利用PLD集成度高的特點(diǎn)，直接在PLD中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的幀編碼及時(shí)分輸出。以PLD為中心模塊的控制核心，一方面大大減小了硬件體積與功耗，另一方面避免了采用分立元件所帶來的電路延時(shí)等問題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)的可編程（ISP）技術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者通過一根下載電纜就可以方便地對安放于印制板上的芯片中的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以改變硬件功能，從而大大簡化了操作，對器件的功能設(shè)計(jì)及修改更加方便。
實(shí)際應(yīng)用結(jié)果
在實(shí)際應(yīng)用中，首先通過實(shí)際測量標(biāo)定，對相位差與流體流速以及周期與流體密度運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合以得到它們之間的關(guān)系式作為計(jì)算質(zhì)量流量的數(shù)學(xué)依據(jù)。實(shí)際流量值與計(jì)算值存在對應(yīng)關(guān)系。以累計(jì)時(shí)間為30秒對流量值進(jìn)行標(biāo)定，并與儀器測量值進(jìn)行比較，得到其對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由此得到校正關(guān)系式為：
y=2.3952x+24.0577
通過此關(guān)系式對測量值校正并應(yīng)用于實(shí)際測量中，獲得實(shí)際流量與測量流量及其相對誤差（見表1）。如表1所示，其相對誤差不高于1.2％，與同類型儀表相比，精度有了很大提高。
結(jié)束語
本儀器具有實(shí)時(shí)測量流體流速、密度、流量的功能。在用于石油工業(yè)的油井流量測量時(shí)，測量精度達(dá)到1.2％。在本儀器的數(shù)字部分中，使用PLD器件，大大提高了系統(tǒng)的集成度，減小了系統(tǒng)硬件體積，降低了系統(tǒng)功耗，也便于儀器調(diào)試以及以后功能的改進(jìn)。由于集成度的提高，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。
實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場使用結(jié)果表明，該儀器無論在精度、功耗、規(guī)模還是穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于以前的同類儀器。
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