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LNG質(zhì)量流量計(jì)數(shù)字部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時間：2020-05-13 16:07 點(diǎn)擊次數(shù)：

摘要：廈門宏控針對現(xiàn)有的LNG質(zhì)量流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、測量精度也比較低的現(xiàn)狀，采用FPGA器件去控制AD采樣，改進(jìn)了傳統(tǒng)的LNG質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的應(yīng)用FPGA的LNG質(zhì)量流量計(jì)較以往類似的質(zhì)量流量計(jì)測量精度有很大提高，測量單元與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理單元相分離的設(shè)計(jì)方式使得硬件結(jié)構(gòu)也得到了簡化。

關(guān)鍵字：質(zhì)量流量計(jì) 液化天然氣現(xiàn)場可編程邏輯門陣列雙緩沖

0 引言

文中利用FPGA器件開發(fā)研制了新一代U形雙管式的LNG科氏質(zhì)量流量計(jì)，它可以檢測流體的流速、密度、流量、溫度等指標(biāo)，與現(xiàn)在普遍使用的LNG流量計(jì)相比具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。文中主要介紹了應(yīng)用FPGA技術(shù)的新型LNG流量計(jì)的系統(tǒng)工作原理，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及在研發(fā)過程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題，最后給出了實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，證明系統(tǒng)在精度上較以往類似設(shè)備有較大提高。

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(jì)流量等數(shù)據(jù)。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(jì)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(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(jì)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。

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。

圖2 數(shù)字系統(tǒng)框圖

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(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(jì)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。

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。

圖3 測量單元任務(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。

3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

3.2 AD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(jì)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normalmode，采樣頻率為500ksps，量化位數(shù)為16bit，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(jì)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(jì)測量精度有較大提高。

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，同時也提高了流量測量的精度。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。

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	通徑	流量范圍	準(zhǔn)確度等級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，不會影響測量結(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)對于許多應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的。

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