引言
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（Corioils Mass Flowmeter，簡(jiǎn)稱CMF）是一種利用流體在振動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科氏力為原理所制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。當(dāng)前，基于此原理已開發(fā)研制了多種科氏流量計(jì)并得到廣泛應(yīng)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(zhì)量流量計(jì)。它可以偵測(cè)流體的流速、密度、流量、溫度等指標(biāo)，與現(xiàn)在普遍使用的科氏流量計(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。
本文主要這種新型科氏質(zhì)量流量計(jì)的系統(tǒng)工作原理，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)，并給出了實(shí)際應(yīng)用結(jié)果。
系統(tǒng)原理
圖1 為U形檢測(cè)管受力模型。兩根檢測(cè)管在電磁激勵(lì)器的激勵(lì)下，以其固有頻率振動(dòng)，其振動(dòng)相位相反。當(dāng)流體通過兩根檢測(cè)管時(shí)，由于振動(dòng)效應(yīng)而產(chǎn)生科氏力作用于兩檢測(cè)管，而使U形管發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其扭轉(zhuǎn)程序與管內(nèi)瞬時(shí)質(zhì)量流量成正比。位于檢測(cè)管的進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的兩個(gè)電磁檢測(cè)器，可檢測(cè)出兩路頻率相同，但有相位差的振動(dòng)信號(hào)。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。
圖一 U形檢測(cè)管受力模型
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，便得到流體密度、流速、溫度及累計(jì)流量等數(shù)據(jù)。利用PLD器件，我們實(shí)現(xiàn)了信號(hào)提取、處理、存儲(chǔ)、顯示以及差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)通信等功能，與現(xiàn)有的具有相同功能的科氏流量計(jì)相比大大減小了硬件規(guī)模。
數(shù)字部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊圖見圖2。按所實(shí)現(xiàn)的功能，可將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)大單元：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、意外保護(hù)單元以及控制單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元又可細(xì)分為數(shù)字化采樣和幀編碼；數(shù)據(jù)處理單元可細(xì)分為初步計(jì)算、零點(diǎn)校正和溫度補(bǔ)償。
圖二 數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊圖
1. 數(shù)據(jù)采集單元
原始的相位差、周期、溫度等信號(hào)需要經(jīng)過數(shù)字化后才可進(jìn)行進(jìn)一步處理。由檢測(cè)管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號(hào)通過模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號(hào)，連同溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集單元。在這里，它們被數(shù)字化采樣，而后進(jìn)行幀編碼再存儲(chǔ)于FIFO中。
2. 數(shù)據(jù)處理單元
數(shù)據(jù)處理單元主要功能是通過對(duì)相位差、周期、溫度等數(shù)據(jù)的處理以獲得流體的瞬時(shí)流速、密度以及累計(jì)流量等數(shù)據(jù)。利用通過線性擬合所得到的相位差與瞬時(shí)流量以及周期與流體密度的關(guān)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(duì)流體質(zhì)量流量的影響，所以必須對(duì)初步值進(jìn)行零點(diǎn)校正與溫度補(bǔ)償，從而得到流體流速與密度值。通過對(duì)流體流速及累計(jì)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)可以測(cè)量質(zhì)量流量值。
3. 控制單元
控制單元為系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)數(shù)字部分的時(shí)序，使各部分穩(wěn)定正常工作。其完成的控制主要有：中斷控制與復(fù)用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的時(shí)分復(fù)用、讀寫控制、數(shù)據(jù)傳輸控制以及產(chǎn)生系統(tǒng)中各芯片的主要使能信號(hào)。比如，系統(tǒng)為響應(yīng)外部功能鍵而對(duì)單片機(jī)中斷的復(fù)用；對(duì)FIFO的讀寫時(shí)序與數(shù)據(jù)線上有效數(shù)據(jù)的時(shí)序配合；數(shù)據(jù)輸出與對(duì)外通信的時(shí)序邏輯，這些功能均在PLD中實(shí)現(xiàn)。
4. 數(shù)據(jù)傳輸單元
數(shù)據(jù)傳輸單元主要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與PC機(jī)的串行通信。一方面，它將信號(hào)處理單元所得到的流速、密度、流量等數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的高級(jí)處理；另一方面，它將PC機(jī)所發(fā)出的控制指令傳送至控制單元以對(duì)系統(tǒng)工作進(jìn)行控制。
5. 意外保護(hù)單元
這里所說的意外主要是指在實(shí)際環(huán)境中發(fā)生的意外掉電的情況。特別是累計(jì)流量值，如果不加以意外保護(hù)則無法連續(xù)統(tǒng)計(jì)因而達(dá)不到監(jiān)測(cè)效果。意外保護(hù)單元在意外發(fā)生時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，并在重新來電時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。
關(guān)鍵技術(shù)
超大規(guī)模的可編程邏輯器件PLD是80年代出現(xiàn)的新技術(shù)，它具有反復(fù)可編程的特點(diǎn)，即只要改變器件的配置數(shù)據(jù)就可以改變器件的邏輯功能，并且一塊芯片可多次重復(fù)使用。這給系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來極大方便，大大減少了開發(fā)成本。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集單元以及系統(tǒng)控制核心都由PLD實(shí)現(xiàn)。
圖3 電路原理圖
首先通過邏輯功能的分類細(xì)化，將整個(gè)需在PLD中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)分解為多個(gè)有確定輸入輸出的小模塊。再通過圖形或文本的輸入方式，將各小模塊的邏輯功能實(shí)現(xiàn)。最后加以組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。然后，通過軟件仿真，對(duì)設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證，這主要是通過對(duì)仿真產(chǎn)生的波形時(shí)序圖的檢驗(yàn)完成的。如果仿真不正確，則需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后再進(jìn)行驗(yàn)證；如仿真正確則對(duì)器件編程，將邏輯功能實(shí)現(xiàn)于EPLD器件中。圖3為數(shù)據(jù)采集與輸出部分的電路原理圖，圖4為仿真時(shí)序圖。
圖4 仿真時(shí)序圖
在數(shù)據(jù)采集單元中，以最高40MHz的采樣頻率對(duì)相位差等信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，使得相位差的測(cè)量精度達(dá)到0.025μs，大大高于同類型的質(zhì)量流量?jī)x表。利用PLD集成度高的特點(diǎn)，直接在PLD中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的幀編碼及時(shí)分輸出。以PLD為中心模塊的控制核心，一方面大大減小了硬件體積與功耗，另一方面避免了采用分立元件所帶來的電路延時(shí)等問題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)的可編程（ISP）技術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者通過一根下載電纜就可以方便地對(duì)安放于印制板上的芯片中的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以改變硬件功能，從而大大簡(jiǎn)化了操作，對(duì)器件的功能設(shè)計(jì)及修改更加方便。
實(shí)際應(yīng)用結(jié)果
在實(shí)際應(yīng)用中，首先通過實(shí)際測(cè)量標(biāo)定，對(duì)相位差與流體流速以及周期與流體密度運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合以得到它們之間的關(guān)系式作為計(jì)算質(zhì)量流量的數(shù)學(xué)依據(jù)。實(shí)際流量值與計(jì)算值存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。以累計(jì)時(shí)間為30秒對(duì)流量值進(jìn)行標(biāo)定，并與儀器測(cè)量值進(jìn)行比較，得到其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。
由此得到校正關(guān)系式為：
y=2.3952x+24.0577
通過此關(guān)系式對(duì)測(cè)量值校正并應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中，獲得實(shí)際流量與測(cè)量流量及其相對(duì)誤差。其相對(duì)誤差不高于1.2％，與同類型儀表相比，精度有了很大提高。
結(jié)束語
本儀器具有實(shí)時(shí)測(cè)量流體流速、密度、流量的功能。在用于石油工業(yè)的油井流量測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度達(dá)到1.2％。在本儀器的數(shù)字部分中，使用PLD器件，大大提高了系統(tǒng)的集成度，減小了系統(tǒng)硬件體積，降低了系統(tǒng)功耗，也便于儀器調(diào)試以及以后功能的改進(jìn)。由于集成度的提高，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。
實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，該儀器無論在精度、功耗、規(guī)模還是穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于以前的同類儀器。
