应用PLD实现科氏质量流量计的数字部分设计

应用PLD实现科氏质量流量计的数字部分设计

科里奥利质量流量计（Corioils Mass Flowmeter，简称CMF）是一种利用流体在振动管内产生与质量流量成正比的科氏力为原理所制成的一种直接式质量流量仪表。当前，基于此原理已开发研制了多种科氏流量计并得到广泛应用。但是，它们普遍存在精度低、体积大、功耗大等问题。我们利用PLD器件开发研制了新一代U形双管式科氏质量流量计。它可以侦测流体的流速、密度、流量、温度等指标，与现在普遍使用的科氏流量计相比具有体积小、功耗低、功能强、精度高、适应性强等特点，具有较大的推广价值。

　　本文主要这种新型科氏质量流量计的系统工作原理，数字系统的设计、实现及关键技术，并给出了实际应用结果。

系统原理

　　图1 为U形检测管受力模型。两根检测管在电磁激励器的激励下，以其固有频率振动，其振动相位相反。当流体通过两根检测管时，由于振动效应而产生科氏力作用于两检测管，而使U形管发生扭转，其扭转程序与管内瞬时质量流量成正比。位于检测管的进流侧和出流侧的两个电磁检测器，可检测出两路频率相同，但有相位差的振动信号。其相位差同瞬时流量成正比。振动信号周期与流体密度密切相关，流体密度愈大，振动周期愈大。因此通过对这两路信号的相位差及周期进行处理，可以得到流体的流速及密度。此外通过一个温度传感器，可获得流体的温度。

U形检测管受力模型

将由检测管所获得的两路信号以及温度信号经数字化后进行处理，便得到流体密度、流速、温度及累计流量等数据。利用PLD器件，我们实现了信号提取、处理、存储、显示以及差错控制、数据传输、数据通信等功能，与现有的具有相同功能的科氏流量计相比大大减小了硬件规模。

数字部分系统设计

　　数字系统实现模块图见图2。按所实现的功能，可将系统划分为几个大单元：数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、意外保护单元以及控制单元。其中，数据采集单元又可细分为数字化采样和帧编码；数据处理单元可细分为初步计算、零点校正和温度补偿。

数字系统实现模块图

1. 数据采集单元

　　原始的相位差、周期、温度等信号需要经过数字化后才可进行进一步处理。由检测管产生的两路有相位差的正弦信号通过vwin 部分的处理生成两路同周期、有相位差的方波信号，连同温度传感器产生的温度信号送至数据采集单元。在这里，它们被数字化采样，而后进行帧编码再存储于FIFO中。

2. 数据处理单元

　　数据处理单元主要功能是通过对相位差、周期、温度等数据的处理以获得流体的瞬时流速、密度以及累计流量等数据。利用通过线性拟合所得到的相位差与瞬时流量以及周期与流体密度的关系式，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温度对流体质量流量的影响，所以必须对初步值进行零点校正与温度补偿，从而得到流体流速与密度值。通过对流体流速及累计时间的统计可以测量质量流量值。

3. 控制单元

　　控制单元为系统的控制核心，控制整个数字部分的时序，使各部分稳定正常工作。其完成的控制主要有：中断控制与复用、数据存储中的时分复用、读写控制、数据传输控制以及产生系统中各芯片的主要使能信号。比如，系统为响应外部功能键而对单片机中断的复用；对FIFO的读写时序与数据线上有效数据的时序配合；数据输出与对外通信的时序逻辑，这些功能均在PLD中实现。

4. 数据传输单元

　　数据传输单元主要实现本系统与PC机的串行通信。一方面，它将信号处理单元所得到的流速、密度、流量等数据传输至PC机进行进一步的高级处理；另一方面，它将PC机所发出的控制指令传送至控制单元以对系统工作进行控制。

5. 意外保护单元

　　这里所说的意外主要是指在实际环境中发生的意外掉电的情况。特别是累计流量值，如果不加以意外保护则无法连续统计因而达不到监测效果。意外保护单元在意外发生时对数据现场进行保护，并在重新来电时恢复现场。

关键技术

　　超大规模的可编程逻辑器件PLD是80年代出现的新技术，它具有反复可编程的特点，即只要改变器件的配置数据就可以改变器件的逻辑功能，并且一块芯片可多次重复使用。这给系统硬件设计带来极大方便，大大减少了开发成本。在本系统中，数据采集单元以及系统控制核心都由PLD实现。

首先通过逻辑功能的分类细化，将整个需在PLD中实现的系统分解为多个有确定输入输出的小模块。再通过图形或文本的输入方式，将各小模块的逻辑功能实现。最后加以组合实现系统功能。然后，通过软件仿真，对设计加以验证，这主要是通过对仿真产生的波形时序图的检验完成的。如果仿真不正确，则需对设计进行修改后再进行验证；如仿真正确则对器件编程，将逻辑功能实现于EPLD器件中。图3为数据采集与输出部分的电路原理图，图4为仿真时序图。

在数据采集单元中，以最高40MHz的采样频率对相位差等信号进行数字化，使得相位差的测量精度达到0.025μs，大大高于同类型的质量流量仪表。利用PLD集成度高的特点，直接在PLD中实现数据的帧编码及时分输出。以PLD为中心模块的控制核心，一方面大大减小了硬件体积与功耗，另一方面避免了采用分立元件所带来的电路延时等问题，大大提高了系统的稳定性。此外，系统的可编程（ISP）技术的出现使设计者通过一根下载电缆就可以方便地对安放于印制板上的芯片中的配置数据进行修改，以改变硬件功能，从而大大简化了操作，对器件的功能设计及修改更加方便。

实际应用结果

　　在实际应用中，首先通过实际测量标定，对相位差与流体流速以及周期与流体密度运用最小二乘法进行线性拟合以得到它们之间的关系式作为计算质量流量的数学依据。实际流量值与计算值存在对应关系。以累计时间为30秒对流量值进行标定，并与仪器测量值进行比较，得到其对应关系如图5所示。由此得到校正关系式为：

y=2.3952x+24.0577

通过此关系式对测量值校正并应用于实际测量中，获得实际流量与测量流量及其相对误差（见表1）。如表1所示，其相对误差不高于1.2％，与同类型仪表相比，精度有了很大提高。

结束语

　　本仪器具有实时测量流体流速、密度、流量的功能。在用于石油工业的油井流量测量时，测量精度达到1.2％。在本仪器的数字部分中，使用PLD器件，大大提高了系统的集成度，减小了系统硬件体积，降低了系统功耗，也便于仪器调试以及以后功能的改进。由于集成度的提高，使系统工作更加稳定。

　　实验和现场使用结果表明，该仪器无论在精度、功耗、规模还是稳定性等方面均优于以前的同类仪器。