。其相位差同瞬時(shí)流量成正比。振動(dòng)信號(hào)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(duì)這兩路信號(hào)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。將由檢測(cè)管所獲得的兩路信號(hào)以及溫度信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后進(jìn)行處理
，得到流體密度、流速
、溫度及累計(jì)流量等數(shù)據(jù)。利用FPGA器件
，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)提取
、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)通信等功能
，與現(xiàn)有的同類的LNG質(zhì)量流量計(jì)相比減小了硬件規(guī)模。
圖1 U形檢測(cè)管受力模型
2 數(shù)字部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
數(shù)字系統(tǒng)框圖如圖2所示，按照不同的功能可以分為4個(gè)模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及控制模塊。每個(gè)模塊都包含不同的任務(wù)，其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)流量信息進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的信息進(jìn)行初步計(jì)算，這2個(gè)模塊都由FPGA器件實(shí)現(xiàn)
，減小了硬件規(guī)模。數(shù)據(jù)傳輸模塊通過CAN總線與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
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2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA器件選用的是ALTERACYCLONEIV系列的EP4CE6E22C8。由檢測(cè)管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號(hào)通過模擬電路部分的處理，生成2路同周期、有相位差的方波信號(hào)送給數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)字化采樣后存儲(chǔ)于FPGA構(gòu)建的FIFO中。
圖2 數(shù)字系統(tǒng)框圖
2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊
數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息首先存儲(chǔ)到FIFO中，采用的是一個(gè)開源的IPcore來實(shí)現(xiàn)FIFO的功能，IPcore是集成電路行業(yè)中知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心，通俗點(diǎn)說就是可復(fù)用的設(shè)計(jì)模塊，經(jīng)過廣大用戶驗(yàn)證，功能比較穩(wěn)定。FIFO有兩種模式：一種是SCFIFO，這種FIFO是指讀寫用一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行同步，可以支持同時(shí)讀寫的功能；另一種是DCFIFO，它是指讀寫使用不同的時(shí)鐘進(jìn)行同步，這在設(shè)計(jì)多時(shí)鐘系統(tǒng)中相當(dāng)有用，可用于不同時(shí)鐘同步信號(hào)之間的同步調(diào)整。文中選用的是DCFIFO
，在這種模式下的讀寫端的重要信號(hào)如表1所示
。
表1 DCFIFO讀寫端信號(hào)
2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊
系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用的是CAN總線，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（DCFIFO）半滿標(biāo)志被置位的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)1次CAN總線通信任務(wù)
，把測(cè)得的流量信息、運(yùn)行狀態(tài)傳遞給控制模塊
，控制模塊把收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)的緩存中等待監(jiān)控人員把數(shù)據(jù)信息取走，同時(shí)通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞新的控制命令給數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)完成測(cè)量
。數(shù)據(jù)參數(shù)流程圖如圖4所示
。
圖3 測(cè)量單元任務(wù)流程圖
圖4 AD采樣芯片原理圖
2.4 控制模塊
系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用的是CAN總線，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（DCFIFO）半滿標(biāo)志被置位的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)1次中斷
，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行CAN總線通信任務(wù)，把測(cè)得的流量信息
、運(yùn)行狀態(tài)傳遞給控制模塊
，控制模塊在接收到中斷信號(hào)后就啟動(dòng)CAN總線通信
，開始接收流量信息等，接收完畢后中斷返回
，繼續(xù)等待下一次中斷的來臨。
3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題
3.1 數(shù)字系統(tǒng)的緩存機(jī)制
系統(tǒng)中，為了避免測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失或者溢出，采用了雙緩沖機(jī)制。在FPGA器件上構(gòu)建一個(gè)FIFO作為第一層緩沖池，
當(dāng)FIFO半滿標(biāo)志置位的時(shí)候觸發(fā)中斷，開始將數(shù)據(jù)傳輸給主控制器
，主控制器自帶的片上RAM將作為第二層緩沖池，給主控制器足夠的時(shí)間去處理收到的測(cè)量數(shù)據(jù)
。實(shí)現(xiàn)這樣的緩存機(jī)制的關(guān)鍵在于存數(shù)與取數(shù)的速度要盡可能一致，如果系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)快速的將FIFO填滿
，而主控制器還沒來得及去取數(shù)
，仍然會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失
。雙緩存機(jī)制給了系統(tǒng)一定的活動(dòng)空間
，允許存數(shù)和取數(shù)之間存在一定的時(shí)間差
，這個(gè)時(shí)間差事由AD采樣的頻率，量化位數(shù)和構(gòu)建的FIFO的容量決定的
。
3.2 AD采集
在流量測(cè)量系統(tǒng)中，AD采樣是數(shù)據(jù)采集的核心器件
，AD器件的選取直接決定著流量測(cè)量的精度
。系統(tǒng)中
，要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出的流體密度、流速
、溫度及累計(jì)流量的測(cè)量
，由于流量測(cè)量對(duì)測(cè)量精度有很高的要求
，所以在選擇AD器件的時(shí)候要選擇分辨率以及采樣頻率都比較高的
。綜合各項(xiàng)因素，最后選擇了ADI的AD7654作為AD采集芯片
，如圖4所示，工作模式選擇normalmode
，采樣頻率為500ksps
，量化位數(shù)為16bit
，支持2個(gè)通道同時(shí)采樣
。
4 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果
實(shí)際應(yīng)用中，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)
，與真實(shí)流量進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量介質(zhì)選用液化天然氣
，測(cè)前零點(diǎn)0.111
，傳感器型號(hào)為NH010，傳感器編號(hào)13－2
，變送器編號(hào)DS，選取任意5組數(shù)據(jù)如表2所示
。通過對(duì)這5組數(shù)據(jù)的分析處理可以得出LNG
流量計(jì)的重復(fù)性不高于0.10%
，大部分流量點(diǎn)檢測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)值都在0.1%
。以內(nèi)，較以往的LNG流量計(jì)測(cè)量精度有較大提高
。
表2 HK-CMF型流量計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果
5 結(jié)束語
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的LNG質(zhì)量流量計(jì)在數(shù)字部分采用了FPGA器件控制AD采樣，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，從而減小了儀器的體積
，減小了儀器的功耗
，同時(shí)也提高了流量測(cè)量的精度
。模塊化的設(shè)計(jì)方式使得儀器運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，也為以后產(chǎn)品升級(jí)改造提供了方便
。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，該儀器在精度
、可靠性
、功耗、穩(wěn)定性等方面都優(yōu)于以前的同類儀器
。
質(zhì)量流量計(jì)選型三要素：流量計(jì)通徑（口徑） 、
溫度 、
壓力 、流量要求
根據(jù)管道公稱直徑，產(chǎn)品規(guī)格可分為：DN1 、DN2
、DN3、DN6
、DN10
、DN15
、DN25
、DN40、DN50
、DN80
、DN100、DN150（單位：mm）十二種
。
|
型 號(hào)
|
通 徑
|
流量范圍
|
準(zhǔn)確度等級(jí)Ei
|
零點(diǎn)不穩(wěn)定性Eo
|
|
HK-CMF-DN3
|
DN3
|
0-0.12 t/h
|
0.15~0.5
|
0.00002 t/h
|
|
HK-CMF-DN4
|
DN4
|
0-0.24 t/h
|
0.15~0.5
|
0.00004 t/h
|
|
HK-CMF-DN6
|
DN6
|
0-0.8 t/h
|
0.15~0.5
|
0.00006 t/h
|
|
HK-CMF-DN10
|
DN10
|
0-1.5 t/h
|
0.15~0.5
|
0.00011 t/h
|
|
HK-CMF-DN15
|
DN15
|
0-3 t/h
|
0.15~0.5
|
0.00022 t/h
|
|
HK-CMF-DN25
|
DN25
|
0-6 t/h
|
0.15~0.5
|
0.0009 t/h
|
|
HK-CMF-DN40
|
DN40
|
0-16 t/h
|
0.15~0.5
|
0.0025 t/h
|
|
HK-CMF-DN50
|
DN50
|
0-30 t/h
|
0.15~0.5
|
0.0041 t/h
|
|
HK-CMF-DN80
|
DN80
|
0-60 t/h
|
0.15~0.5
|
0.009 t/h
|
|
HK-CMF-DN100
|
DN100
|
0-100 t/h
|
0.15~0.5
|
0.013 t/h
|
|
HK-CMF-DN150
|
DN150
|
0-200 t/h
|
0.15~0.5
|
0.02 t/h
|
|
HK-CMF-DN200
|
DN200
|
0-550 t/h
|
0.15~0.5
|
0.05 t/h
|
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)適于所有的液體和氣體。過程條件或溫度
、密度、壓力
、粘度、電導(dǎo)率和流體狀態(tài)分布等過程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)
，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果
。質(zhì)量流量計(jì)易于安裝，且具備高的精度和寬的量程比
，這些特點(diǎn)對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的
。
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