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PILZ皮爾茲流量計(jì)變送器的研制
由于流量計(jì)可以直接進(jìn)行高精度測(cè)量質(zhì)量流量,同時(shí)不受溫度、密度等因素的影響,被廣泛地應(yīng)用在如化工、石油、熱電等領(lǐng)域。目前,流量計(jì)的研制成為國(guó)內(nèi)流量檢測(cè)研究的熱點(diǎn),和國(guó)外相比還有一定的差距。因此,PILZ流量計(jì)變送器的研制,對(duì)國(guó)產(chǎn)流量計(jì)的研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

PILZ皮爾茲流量計(jì)變送器的研制
在PILZ流量計(jì)變送器的設(shè)計(jì)中,基于FPGA(EP3C40Q240C8N)處理器實(shí)現(xiàn)傳感器的激勵(lì)、數(shù)字信號(hào)處理及流量計(jì)算；基于Cortex-ARM架構(gòu)的STM32F407微處理器實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的顯示與控制,以及4-20mA電流、脈沖和基于Modbus協(xié)議的RS-485總線三種形式的流量數(shù)據(jù)輸出。使用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2013環(huán)境下開發(fā)了基于Modbus協(xié)議的上位機(jī)監(jiān)控通訊程序。相位差的測(cè)量決定著流量計(jì)的測(cè)量精度。流量計(jì)是利用科里奧利原理實(shí)現(xiàn)的一種高精度、低機(jī)械損耗的直接式質(zhì)量流量計(jì),變送器是CMF重要的組成部分。對(duì)CMF理論體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,闡述了科里奧利力的物理意義及其在質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,進(jìn)而分析了CMF一次儀表的結(jié)構(gòu)和工作過程。然后根據(jù)功能要求提出設(shè)計(jì)原則,并以此指導(dǎo)后續(xù)工作。設(shè)計(jì)了基于CMF工作原理和上述原則的實(shí)現(xiàn)機(jī)制,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)電路細(xì)節(jié)進(jìn)行詳盡研究。模擬電路主要實(shí)現(xiàn)了由物理閉環(huán)和增益控制閉環(huán)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以及對(duì)一次儀表輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)一次儀表上的線圈工作,模擬了科里奧利力的產(chǎn)生條件。驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于必須保持激振信號(hào)幅度在合適的范圍內(nèi),過大過小都不能驅(qū)動(dòng)一次儀表正常工作。zui終利用場(chǎng)效應(yīng)管的VGS—RDS壓阻特性解決了該難題。信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)原始的相位信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,使之適合數(shù)字電路作進(jìn)一步的處理。兩路相位信號(hào)(來自一次儀表的左右傳感器)的處理電路*一樣,此外還必須引出相位超前的第三路相位信號(hào),其作用在于提醒MCU相位信號(hào)即將到達(dá)。信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)還包括溫度信號(hào)提取電路,通過鉑熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的提取,采用了三線制恒流源測(cè)量法。在正式進(jìn)入數(shù)字電路設(shè)計(jì)之前,先討論了相位差測(cè)量方法,并選定雙向過零鑒相作為實(shí)現(xiàn)方案。數(shù)字電路主要實(shí)現(xiàn)了相位差檢測(cè)和質(zhì)量流量信息的zui終輸出。基于雙向過零檢測(cè)原理,數(shù)字電路包括過零點(diǎn)檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)器模塊和MCU模塊。過零點(diǎn)檢測(cè)模塊提取了兩路相位信號(hào)的過零點(diǎn)信息,計(jì)數(shù)器模塊對(duì)過零點(diǎn)之間的長(zhǎng)度計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)結(jié)果供MCU調(diào)用,MCU模塊主要包括MCU芯片及其供電網(wǎng)絡(luò)和工作頻率設(shè)置電路,協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作,并對(duì)各個(gè)模塊的輸出進(jìn)行處理,zui終得到質(zhì)量信息。

PILZ皮爾茲流量計(jì)變送器的研制
提出了基于線性插值和互相關(guān)計(jì)算相結(jié)合的相位差計(jì)算方法,通過二進(jìn)極值搜索,實(shí)現(xiàn)對(duì)相位差的快速精確測(cè)量。該方法大大減少了計(jì)算量,提高了流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,全數(shù)字PILZ流量計(jì)變送器工作穩(wěn)定可靠。在量程比18：1條件下,測(cè)量精度優(yōu)于千分之一。