應用PLD實現(xiàn)科氏質量流量計的數字部分設計
發(fā)布時間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數:482
引言
科里奧利質量流量計（Corioils Mass Flowmeter，簡稱CMF）是一種利用流體在振動管內產生與質量流量成正比的科氏力為原理所制成的一種直接式質量流量儀表。當前，基于此原理已開發(fā)研制了多種科氏流量計并得到廣泛應用。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形雙管式科氏質量流量計。它可以偵測流體的流速、密度、流量、溫度等指標，與現(xiàn)在普遍使用的科氏流量計相比具有體積小、功耗低、功能強、精度高、適應性強等特點，具有較大的推廣價值。
本文主要這種新型科氏質量流量計的系統(tǒng)工作原理，數字系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)及關鍵技術，并給出了實際應用結果。
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器的激勵下，以其固有頻率振動，其振動相位相反。當流體通過兩根檢測管時，由于振動效應而產生科氏力作用于兩檢測管，而使U形管發(fā)生扭轉，其扭轉程序與管內瞬時質量流量成正比。位于檢測管的進流側和出流側的兩個電磁檢測器，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，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。
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數字化后進行處理，便得到流體密度、流速、溫度及累計流量等數據。利用PLD器件，我們實現(xiàn)了信號提取、處理、存儲、顯示以及差錯控制、數據傳輸、數據通信等功能，與現(xiàn)有的具有相同功能的科氏流量計相比大大減小了硬件規(guī)模。
數字部分系統(tǒng)設計
數字系統(tǒng)實現(xiàn)模塊圖見圖2。按所實現(xiàn)的功能，可將系統(tǒng)劃分為幾個大單元：數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、意外保護單元以及控制單元。其中，數據采集單元又可細分為數字化采樣和幀編碼；數據處理單元可細分為初步計算、零點校正和溫度補償。
圖二 數字系統(tǒng)實現(xiàn)模塊圖
1. 數據采集單元
原始的相位差、周期、溫度等信號需要經過數字化后才可進行進一步處理。由檢測管產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，連同溫度傳感器產生的溫度信號送至數據采集單元。在這里，它們被數字化采樣，而后進行幀編碼再存儲于FIFO中。
2. 數據處理單元
數據處理單元主要功能是通過對相位差、周期、溫度等數據的處理以獲得流體的瞬時流速、密度以及累計流量等數據。利用通過線性擬合所得到的相位差與瞬時流量以及周期與流體密度的關系式，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量流量的影響，所以必須對初步值進行零點校正與溫度補償，從而得到流體流速與密度值。通過對流體流速及
引言
科里奧利質量流量計（Corioils Mass Flowmeter，簡稱CMF）是一種利用流體在振動管內產生與質量流量成正比的科氏力為原理所制成的一種直接式質量流量儀表。當前，基于此原理已開發(fā)研制了多種科氏流量計并得到廣泛應用。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形雙管式科氏質量流量計。它可以偵測流體的流速、密度、流量、溫度等指標，與現(xiàn)在普遍使用的科氏流量計相比具有體積小、功耗低、功能強、精度高、適應性強等特點，具有較大的推廣價值。
本文主要這種新型科氏質量流量計的系統(tǒng)工作原理，數字系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)及關鍵技術，并給出了實際應用結果。
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器的激勵下，以其固有頻率振動，其振動相位相反。當流體通過兩根檢測管時，由于振動效應而產生科氏力作用于兩檢測管，而使U形管發(fā)生扭轉，其扭轉程序與管內瞬時質量流量成正比。位于檢測管的進流側和出流側的兩個電磁檢測器，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，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。
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數字化后進行處理，便得到流體密度、流速、溫度及累計流量等數據。利用PLD器件，我們實現(xiàn)了信號提取、處理、存儲、顯示以及差錯控制、數據傳輸、數據通信等功能，與現(xiàn)有的具有相同功能的科氏流量計相比大大減小了硬件規(guī)模。
數字部分系統(tǒng)設計
數字系統(tǒng)實現(xiàn)模塊圖見圖2。按所實現(xiàn)的功能，可將系統(tǒng)劃分為幾個大單元：數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、意外保護單元以及控制單元。其中，數據采集單元又可細分為數字化采樣和幀編碼；數據處理單元可細分為初步計算、零點校正和溫度補償。
圖二 數字系統(tǒng)實現(xiàn)模塊圖
1. 數據采集單元
原始的相位差、周期、溫度等信號需要經過數字化后才可進行進一步處理。由檢測管產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，連同溫度傳感器產生的溫度信號送至數據采集單元。在這里，它們被數字化采樣，而后進行幀編碼再存儲于FIFO中。
2. 數據處理單元
數據處理單元主要功能是通過對相位差、周期、溫度等數據的處理以獲得流體的瞬時流速、密度以及累計流量等數據。利用通過線性擬合所得到的相位差與瞬時流量以及周期與流體密度的關系式，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量流量的影響，所以必須對初步值進行零點校正與溫度補償，從而得到流體流速與密度值。通過對流體流速及
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