孫茂一，趙普俊，唐　琳

(中國測試技術(shù)研究院流量所，四川成都　610021)

0　引言

1　系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，兩根檢測管在電磁激勵器的激勵下，以其固有頻率振動，振動相位相反。當(dāng)流體通過兩根檢測管時，由于振動效應(yīng)而產(chǎn)生科氏力作用于2個檢測管，而使U形管發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其扭轉(zhuǎn)程度與管內(nèi)瞬時質(zhì)量流量成正比。位于檢測管的進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的兩個電磁檢測器，可檢測出兩路頻率相同、但有相位差的振動信號。其相位差同瞬時流量成正比。振動信號周期與流體密度密切相關(guān)，流體密度愈大振動周期愈大。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。此外通過一個溫度傳感器，可獲得流體的溫度。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，得到流體密度、流速、溫度及累計流量等數(shù)據(jù)[2]。利用FPGA器件，實(shí)現(xiàn)了信號提取、數(shù)據(jù)存儲、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)量流量計相比減小了硬件規(guī)模。

圖1　U形檢測管受力模型

2　數(shù)字部分系統(tǒng)設(shè)計原理

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個模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲與處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及控制模塊。每個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)對流量信息進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對采集到的信息進(jìn)行初步計算，這2個模塊都由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。控制模塊完成對上述3個模塊的控制，使各個模塊能夠穩(wěn)定有效的工作。

圖2　數(shù)字系統(tǒng)框圖

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ALTERA CYCLONE IV系列的EP4CE6E22C8。由檢測管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號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送給數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)字化采樣后存儲于FPGA構(gòu)建的FIFO中。

2．2數(shù)據(jù)存儲與處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息首先存儲到FIFO中，采用的是一個開源的IPcore來實(shí)現(xiàn)FIFO的功能，IPcore是集成電路行業(yè)中知識產(chǎn)權(quán)核心，通俗點(diǎn)說就是可復(fù)用的設(shè)計模塊，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是指讀寫用一個時鐘進(jìn)行同步，可以支持同時讀寫的功能；另一種是DCFIFO，它是指讀寫使用不同的時鐘進(jìn)行同步，這在設(shè)計多時鐘系統(tǒng)中相當(dāng)有用，可用于不同時鐘同步信號之間的同步調(diào)整。文中選用的是DCFIFO，在這種模式下的讀寫端的重要信號如表1所示[3]。

表1　DCFIFO讀寫端信號

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)存儲模塊(DCFIFO)半滿標(biāo)志被置位的時候就會觸發(fā)1次CAN總線通信任務(wù)，把測得的流量信息、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，同時通過CAN現(xiàn)場總線傳遞新的控制命令給數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)完成測量。數(shù)據(jù)參數(shù)流程圖如圖4所示。

4.在員工對民營企業(yè)社會責(zé)任主觀評價的主觀指標(biāo)中，企業(yè)社會責(zé)任建設(shè)評價最為重要，占到總效用的一半以上，為55.84%，其次為企業(yè)社會責(zé)任效果評價，最后為員工忠誠度。

圖3　測量單元任務(wù)流程圖

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)存儲模塊(DCFIFO)半滿標(biāo)志被置位的時候就會觸發(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后就啟動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。

圖4　AD采樣芯片原理圖

3　數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的幾個關(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FIFO作為第一層緩沖池，當(dāng)FIFO半滿標(biāo)志置位的時候觸發(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間去處理收到的測量數(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)，仍然會造成測量數(shù)據(jù)的丟失。雙緩存機(jī)制給了系統(tǒng)一定的活動空間，允許存數(shù)和取數(shù)之間存在一定的時間差，這個時間差事由AD采樣的頻率，量化位數(shù)和構(gòu)建的FIFO的容量決定的[4-6]。

3．2AD采集

在流量測量系統(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量的精度。系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對傳感器輸出的流體密度、流速、溫度及累計流量的測量，由于流量測量對測量精度有很高的要求，所以在選擇AD器件的時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normal mode，采樣頻率為500 ksps，量化位數(shù)為16 bit，支持2個通道同時采樣。

4　實(shí)際運(yùn)行結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用中，通過現(xiàn)場測量得到一組測量數(shù)據(jù)，與真實(shí)流量進(jìn)行對比，測量介質(zhì)選用液化天然氣，測前零點(diǎn)0．111，傳感器型號為NH010，傳感器編號13-2，變送器編號DS，選取任意5組數(shù)據(jù)如表2所示。通過對這5組數(shù)據(jù)的分析處理可以得出LNG流量計的重復(fù)性不高于0．10%，大部分流量點(diǎn)檢測的相對誤差絕對值都在0．1%。以內(nèi)，較以往的LNG流量計測量精度有較大提高。

表2　NLxxx型流量計檢驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語

設(shè)計實(shí)現(xiàn)的LNG質(zhì)量流量計在數(shù)字部分采用了FPGA器件控制AD采樣，簡化了硬件設(shè)計，從而減小了儀器的體積，減小了儀器的功耗，同時也提高了流量測量的精度。模塊化的設(shè)計方式使得儀器運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，也為以后產(chǎn)品升級改造提供了方便。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場使用結(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。

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