梁華鋒，梁國(guó)偉，馬文濤，孫 斌

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

油品流量測(cè)量結(jié)果表明，油品粘度變化對(duì)油流量?jī)x表的儀表特性有著顯著的影響，但是該影響程度到底如何尚未能得到很好的研究.為了深入研究粘度對(duì)油流量?jī)x表特性的影響，可變粘度油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制就成為了必然.該裝置采用帶光柵尺的活塞式體積管作為標(biāo)準(zhǔn)器，具有DN15、DN25、DN50三個(gè)口徑的試驗(yàn)管道，能夠?qū)崿F(xiàn)油品粘度在1.5～40cSt范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，流量上限可以達(dá)到25m3／h，主要用于粘度對(duì)脈沖型油流量?jī)x表流量特性影響的試驗(yàn)研究［1，2］.

對(duì)于精度等級(jí)為0.1級(jí)的流量?jī)x表，為了保證儀表系數(shù)的檢定精度，計(jì)數(shù)器的計(jì)量準(zhǔn)確度至少要達(dá)到±0.01%，也就是說(shuō)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)誤差為±1個(gè)脈沖的情況下，要達(dá)到這樣的計(jì)數(shù)精度，檢定過(guò)程中計(jì)數(shù)器采集的脈沖數(shù)至少需要10000個(gè)［3，4］.但由于場(chǎng)地大小等種種原因的限制，變粘度油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不能加工得過(guò)大，其標(biāo)準(zhǔn)體積管的容積只有31.4L，也就是說(shuō)在25m3／h的流量下，有效檢定時(shí)間不足4.5s，采用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方式無(wú)法滿足計(jì)數(shù)精度要求.

針對(duì)這一問(wèn)題，本文選擇NI公司的FPGA作為控制器，采用可以在較短的檢定時(shí)間內(nèi)，用較小體積的檢定容器，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)總脈沖數(shù)小于10000仍能保證±0.01%計(jì)數(shù)精度的雙時(shí)間脈沖插值法作為計(jì)數(shù)法，設(shè)計(jì)了一套基于FPGA硬件的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體積管光柵尺和被檢表的兩路信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明效果良好.

1 雙時(shí)間法的測(cè)量原理

雙時(shí)間法的測(cè)量原理［5］如圖1，圖中K1、K2為起始信號(hào)開(kāi)關(guān).

圖1 雙時(shí)間法計(jì)數(shù)原理Figure 1 Principle of two－time counting method

當(dāng)流量穩(wěn)定后，體積管活塞在介質(zhì)的推動(dòng)下運(yùn)行，活塞觸到K1時(shí)，K1發(fā)出信號(hào)使得計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)，活塞觸到K2時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù).啟停時(shí)間內(nèi)的實(shí)際脈沖數(shù)可以通過(guò)式（1）計(jì)算得到.

式（1）中：N為經(jīng)雙時(shí)間法插值后的脈沖信號(hào)數(shù)；N1為計(jì)數(shù)器記錄下的脈沖信號(hào)數(shù)；T為檢測(cè)啟停信號(hào)間的時(shí)間間隔；T1為從K1發(fā)出信號(hào)后第一個(gè)脈沖上升沿到K2發(fā)出信號(hào)后第一個(gè)脈沖上升沿之間整脈沖周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔.

圖1中，若控制開(kāi)始信號(hào)在1位置，控制結(jié)束信號(hào)在1′位置，則是在差不多相同的控制時(shí)間T內(nèi)，記錄脈沖數(shù)最少的情況.控制開(kāi)始信號(hào)到來(lái)時(shí)，被檢信號(hào)的第一個(gè)脈沖上升沿剛好沒(méi)有被記到，停止信號(hào)到來(lái)后的第一個(gè)脈沖上升沿又尚未到達(dá)，恰好又沒(méi)被記到，這樣在差不多相同控制時(shí)間內(nèi)幾乎少計(jì)了一個(gè)脈沖.若控制開(kāi)始信號(hào)在2位置，控制結(jié)束信號(hào)在2′位置，則是在差不多相同的控制時(shí)間T內(nèi)，記錄脈沖數(shù)最多的情況.此時(shí)，緊接著開(kāi)始信號(hào)，被檢信號(hào)的第一個(gè)脈沖上升沿到來(lái)，被記錄；最后一個(gè)脈沖上升沿剛被記錄，停止信號(hào)就到了，這樣在差不多的控制時(shí)間內(nèi)又幾乎多計(jì)了一個(gè)脈沖.

所以，在相同的計(jì)數(shù)脈沖情況下，采用傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方式最大會(huì)帶來(lái)一個(gè)脈沖周期的誤差，若信號(hào)的脈沖頻率較低，脈沖周期變長(zhǎng)，帶來(lái)的誤差也更加明顯.

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上雙時(shí)間法原理，設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.它主要由工控機(jī)、下位機(jī)、數(shù)字輸入模塊、及標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)發(fā)生器M1和M2組成.

圖2 計(jì)數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Sructure of counting system

下位機(jī)選擇了NI公司以FPGA作為控制核心的cRIO－9073系統(tǒng)，該系統(tǒng)由帶FPGA控制器及C系列模塊兩部分組成.FPGA是一種可編程門(mén)陣列，通過(guò)編譯軟件程序，可以形成特定功能的硬件電路［6］.由于變粘度油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積管容積很小，為保證檢定過(guò)程的計(jì)數(shù)精度，需要分別對(duì)體積管光柵尺和被檢表脈沖信號(hào)進(jìn)行雙計(jì)時(shí)，也就是要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)3路計(jì)時(shí)，2路計(jì)數(shù)，一般的控制器很難完成這樣的任務(wù).cRIO－9073具有32位的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，硬件時(shí)鐘頻率高達(dá)40MHz，且可以通過(guò)軟件編程的方式定義足夠多的計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)器，結(jié)合數(shù)字輸入模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)所需計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)功能［7］.該控制器既可以通過(guò)C系列模塊輕松實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字、模擬量的輸入輸出，還可以通過(guò)網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，用于顯示采集的數(shù)據(jù).

由于變粘度油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)尚未完成加工，光柵尺與被檢表的脈沖信號(hào)分別通過(guò)兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器M1、M2來(lái)模擬，設(shè)定M1的信號(hào)頻率為10kHz，M2的信號(hào)頻率為40Hz.兩路脈沖信號(hào)通過(guò)數(shù)字輸入模塊NI9423實(shí)現(xiàn)與控制器的連接，控制器再通過(guò)Ethernet實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)通訊.

3 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)系統(tǒng)的軟件功能通過(guò)虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 程序功能結(jié)構(gòu)Figure 3 Functional structure of the program

計(jì)時(shí)器T、T標(biāo)、T被是根據(jù)控制信截取FPGA板上時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)間段.當(dāng)開(kāi)始信號(hào)脈沖（第一個(gè)控制脈沖）到達(dá)時(shí)，觸發(fā)器D1的Q端輸出高電平，計(jì)時(shí)器T的選擇結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)邏輯真，立即開(kāi)始計(jì)時(shí)［8］.此時(shí)，觸發(fā)器D2、D3雖未立即開(kāi)始工作，但它們的D端均已變?yōu)楦唠娖?，一旦光柵尺和被檢表各自在開(kāi)始信號(hào)延后的第一個(gè)信號(hào)上升沿到來(lái)就觸發(fā)這兩個(gè)DQ觸發(fā)器的Q端輸出高電平，計(jì)時(shí)器T標(biāo)、T被就立即開(kāi)始計(jì)時(shí).當(dāng)停止信號(hào)脈沖（第二個(gè)控制脈沖）到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器D1再次被觸發(fā)而使Q端變低電平，計(jì)時(shí)器T的選擇結(jié)構(gòu)立即停止計(jì)時(shí).但D2、D3觸發(fā)器的Q端卻仍保持高電平，直到分別被光柵尺和被檢表在停止信號(hào)延后的第一個(gè)信號(hào)上升沿再次觸發(fā)，才使得Q端輸出低電平，繼而使得計(jì)時(shí)器T標(biāo)、T被停止工作［9，10］，計(jì)時(shí)器T、T標(biāo)、T被記錄了控制信號(hào)間的時(shí)間間隔.

FPGA的計(jì)數(shù)器與傳統(tǒng)的硬件計(jì)數(shù)器有所區(qū)別，它們采用的是軟件計(jì)數(shù)的方式.該計(jì)數(shù)器由一個(gè)三與門(mén)、一個(gè)大于號(hào)、一對(duì)移位寄存器和兩個(gè)選擇功能塊組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的上升沿進(jìn)行判斷、記錄.這里要解決的主要問(wèn)題是應(yīng)嚴(yán)格保證計(jì)數(shù)器只記錄開(kāi)始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)之間的脈沖上升沿個(gè)數(shù)或下降沿個(gè)數(shù)（一般使用上升沿），而不受方波信號(hào)高低電平的影響.控制信號(hào)的時(shí)序邏輯如圖4.

圖4 信號(hào)時(shí)序邏輯Figure 4 Temporal logic of the signal

當(dāng)開(kāi)始信號(hào)到來(lái)，在1位置，D1的Q端跳變成高電平，D2、D3的Q端還是低電平，不論被測(cè)信號(hào)此時(shí)是否為高電平，三與門(mén)的輸出端始終為低電平，大于號(hào)的右端為邏輯假，選擇結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)邏輯假的操作使計(jì)數(shù)器N標(biāo)保持原來(lái)的值，初值為0.等到控制開(kāi)始信號(hào)到來(lái)后，被測(cè)信號(hào)的第一個(gè)上升沿觸發(fā)D2、D3的Q端輸出高電平，此時(shí)由于三與門(mén)的輸入端均為高電平，如位置2，它的輸出也為高電平.與移位寄存器中保存的低電平相比較，大于號(hào)輸出邏輯真，選擇結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)邏輯真的操作使計(jì)數(shù)器N標(biāo)、N被加1，此后對(duì)輸入信號(hào)的每一個(gè)上升沿作加1操作.等到結(jié)束控制信號(hào)到來(lái)后，D1的Q端變?yōu)榈碗娖?，位?這個(gè)信號(hào)脈沖被記錄，而位置4的脈沖由于D1的Q端已經(jīng)處于低電平而未被記錄.計(jì)數(shù)器N標(biāo)、N被記錄的數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)控制信號(hào)的脈沖數(shù).

將記錄的數(shù)據(jù)T、T標(biāo)、N標(biāo)代入公式（1）即可得出光柵尺的插值脈沖數(shù).同理，根據(jù)T、T被、N被可以計(jì)算得到被檢表的插值脈沖數(shù).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

假定標(biāo)準(zhǔn)體積管的有效檢定容積為30L，最大流量為27m3／h，最大流量下檢定時(shí)間為4s，光柵尺發(fā)出的最大脈沖頻率為50kHz，則標(biāo)準(zhǔn)體積管的流量系數(shù)K標(biāo)為6666.667L；被檢表最大流量為27m3／h，最大流量對(duì)應(yīng)的脈沖頻率為200Hz，則被檢表的儀表系數(shù)K被為26.667L.

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體積管與被檢表信號(hào)完全線性，即在全流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)為常數(shù).實(shí)驗(yàn)采用高穩(wěn)定度的信號(hào)發(fā)生器Tektronix AFG3101和Agilent 33250A分別模擬標(biāo)準(zhǔn)體積管的光柵尺脈沖信號(hào)和被檢表脈沖信號(hào).設(shè)定Tektronix AFG3101的頻率為10kHz，相當(dāng)于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器的流量為5.4m3／h.在該流量下被校表的輸出頻率應(yīng)為40Hz，由Agilent 33250A模擬輸出.測(cè)量結(jié)果如表1.T表示控制信號(hào)之間的時(shí)間；N標(biāo)、T標(biāo)分別表示光柵尺脈沖數(shù)和對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)的完整周期時(shí)間；N被、T被表示被檢表的脈沖數(shù)和對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)的完整周期時(shí)間；F標(biāo)（N標(biāo)／T標(biāo)）、F被（N被／T被）分別表示檢測(cè)得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被檢表信號(hào)頻率，Q被為被檢表的流量.

從表1中可見(jiàn)，經(jīng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器測(cè)量得到的兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器的頻率非常穩(wěn)定.對(duì)于相同脈沖數(shù)的完整周期測(cè)量時(shí)間，計(jì)時(shí)誤差最多相差1μs，且啟?？刂茣r(shí)間T的值與T標(biāo)、T被的值相比有比T標(biāo)、T被大的，也有比T標(biāo)、T被小的，呈隨機(jī)性分布，符合啟?？刂菩盘?hào)是隨機(jī)發(fā)出的規(guī)律.鑒于上述兩點(diǎn)可以說(shuō)明硬件控制邏輯的正確性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性.

觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，第11組數(shù)據(jù)，被檢表在相同控制時(shí)間的情況下采用傳統(tǒng)計(jì)數(shù)方式比采用脈沖插值計(jì)數(shù)方式多計(jì)了0.49個(gè)脈沖；第14組數(shù)據(jù)，被檢表在相同控制時(shí)間的情況下采用傳統(tǒng)計(jì)數(shù)方式比采用脈沖插值計(jì)數(shù)方式少計(jì)了0.57個(gè)脈沖.理論上，差不多相同控制時(shí)間內(nèi)最大計(jì)數(shù)誤差可以接近一個(gè)脈沖，但實(shí)驗(yàn)碰到這種情況的概率較小，表中被檢表計(jì)數(shù)誤差最大的是第14組數(shù)據(jù)，相差0.57個(gè)脈沖.如前面的假定，標(biāo)準(zhǔn)體積管的有效檢定容積為30L，最大流量為27m3／h，光柵尺輸出的最大脈沖頻率為50kHz，標(biāo)準(zhǔn)體積管的流量系數(shù)K標(biāo)為6666.667L.對(duì)應(yīng)第14組數(shù)據(jù)，算得排出的標(biāo)準(zhǔn)體積為18.959L，標(biāo)準(zhǔn)流量為5.400m3／h.在27m3／h的流量下，被檢表的脈沖頻率為200Hz，則被檢表的儀表系數(shù)K被為26.667L，對(duì)應(yīng)第14組數(shù)據(jù)計(jì)算得到未經(jīng)插值和插值后的流量分別為5.394m3／h和5.400m3／h.與標(biāo)準(zhǔn)流量相比，未經(jīng)插值的被檢表流量誤差為－0.116%，經(jīng)過(guò)插值之后被檢表流量則幾乎完全消除了誤差，說(shuō)明雙時(shí)間插值收到了明顯的效果.

這是在被檢表脈沖數(shù)為500左右的檢測(cè)結(jié)果，理論上可能產(chǎn)生最大計(jì)數(shù)誤差為±0.2%（1／500）.假如被檢表信號(hào)頻率更低或檢測(cè)時(shí)間更短，記錄的脈沖數(shù)就會(huì)更少，雙時(shí)間插值的效果也將更加明顯.

表1 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test result of standard signal

5 結(jié) 語(yǔ)

采用FPGA控制器設(shè)計(jì)的雙路雙時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)具有較高的計(jì)數(shù)精度，成功解決了由于計(jì)數(shù)脈沖數(shù)不夠造成檢定誤差增加的問(wèn)題.該系統(tǒng)在變粘度油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)以較小的體積管容積來(lái)獲得對(duì)被檢表較高精度的檢定，用于準(zhǔn)確分析得到粘度對(duì)脈沖型容積式流量?jī)x表特性的影響.這對(duì)研究容積式流量?jī)x表的適用環(huán)境，提高其計(jì)量精度具有重要的意義.

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