新型数字-频率变换在科氏质量流量计中的应用

　　频率信号具有较高的抗干扰能力,易于测量,适合远距离传输等优点,在工业现场的信号传输中已经受到很高的重视[1].以科氏质量流量计为例,频率输出量代表质量流量计的瞬时质量流量,通过计数器对频率输出量进行累加,即可得到质量流量计的累积质量.科氏质量流量计也是利用频率输出量对流量计进行精度标定,因此频率输出量在质量流量计的信号输出中占有举足轻重的地位,频率输出量的精度和稳定性直接影响质量流量计的计量精度.

　　传统的科氏质量流量计利用模拟电路将正比于质量流量的两路正弦信号的相位差转换为相应的电压信号,再利用电压-频率(V/F)转换电路实现流量计的频率信号输出.但是,正比于质量流量的相位差信号十分微弱(一般≤4°),对外界干扰较为敏感,传统滤波方式很难实现滤波效果.随着现代数字信号处理技术的发展,数字式科氏质量流量计成为必然的发展趋势并应用于实际的流量测量领域[2].由于信号处理的数字化,如再采用原始的V/F(Voltage toFrequency Conversion)变换来实现质量流量计的频率输出,则在系统中必然增加了D/A(Digital to Analogy Conversion)转换以及V/F转换2个过程,增加了系统误差,因此,设计一种数字-频率直接变换方法将减小此类数字系统的系统误差,具有现实意义.

　　1　系统结构及工作原理

　　以基于DSP(Digital Signal Processing)的数字式科氏质量流量计为例,利用FPGA(Field Pro-grammable GateArrays)实现数字-频率变换,系统结构如图1所示.

　　DSP运算电路主要实现数字式科氏质量流量计的流量计算,频率信号数字量的计算.以某3000kg/h量程的质量流量计为例,其频率输出量要求10~10000Hz,经推导可得DSP分频数值d的计算公式为

　　其中,fclk为提供给FPGA计数器工作的高频时钟,Hz;Qmax为流量计的最大量程,kg/h;fmax为频率输出量的最大值,Hz;Q为瞬时流量,kg/h。

　　则输出频率(Hz)为

　　由式(2)可以看出,输出频率f为高频时钟fclk通过计数器2d次计数后产生.类似于将频率测量方法中的测周法逆向设计[3].输出频率f的精度仅与高频时钟fclk和DSP分频数值d有关.高频时钟fclk一般采用有源晶振直接产生,其频率精度和稳定度完全能够达到此需求的要求;分频数值d仅与DSP的计算精度有关.由测周法可知,高频时钟fclk越高,则输出频率f的精度越高,通常选取高频时钟fclk的频率为最高输出频率f的1000倍以上,即可满足系统输出频率f的0.1%的精度要求.由上分析可见,输出频率f不受外界环境因素影响,也不存在V/F转换中存在的系统误差.因此,输出频率具有较高的频率输出量精度和稳定性.