基于FPGA的时差法超声波流量计的设计

　　0　引　言

　　流量是天然气生产与输送过程中的重要参数之一,只有对天然气进行精确计量才能有效地管理天然气的供给与交付,控制天然气的库存量,最大限度地降低不明原因的天然气损耗,避免输气监测的争端。近年来,随着科技的进步,各种新型的天然气计量技术得到了发展,其中的一项新技术是超声波气体流量计[1]。超声波气体流量计具有测量精度高、体积小、能耗低、无压力损失、寿命长以及安装使用方便等显著优点。超声波气体流量计是速度式仪表,它通过检测管道内气体流速来检测气体流量。根据测量的物理量不同,超声波气体流量计的检测方法可分为时差法、相差法和频差法.

　　文采用现场可编程门阵列(FPGA)设计了一种时差法超声波气体流量计,克服了采用传统分离器件设计的不易更改性和不稳定性,提高了系统的测量精度和稳定度,同时,利用FPGA设计了高速计数模块,并采用了一些措施,达到了对气体流量进行高精度测量的目的

　　1　时差法超声波流量计原理[2]

　　超声波在气体中的传播速度与气体流动速度有关,据此可以实现流量测量。在流速为v的流动媒质的上、下游分别放置超声波换能器A和B,结构如图1所示。

　　从换能器A发出超声波到换能器B接收所用的时间为

　　式中　c为超声波在静止流体中的传播速度;v为流体的速度;θ为流体流向与超声波传播方向的夹角;L为2个换能器沿管道的距离;D为管道内径;τ为超声波在探头中与管壁中的传播时间以及电路延时的总和。

　　超声波信号从换能器B传送到换能器A所用的时间为

　　可得超声波不同方向的两次传送时差为

　　由于v是声程上的平均流速。而需要的是截面上的平均流速,必须根据流体力学公式进行修正

　　式中　K为流体动机学修正系数,它与圆管阻力系数λ有关

　　而λ是流体雷诺数的函数,可表示为

　　则流量为

　　一段时间内的累积流量为

　　2　系统硬件设计

　　2.1　系统结构与工作原理

　　流量计系统的整体结构为微控制器+FPGA结构,如图2所示。由于模拟信号和数字信号对信号质量的要求不同,在设计中将两者分开,使数字电路对模拟电路的干扰降到最小。微控制器是整个系统的控制核心,FPGA内部集成了系统中的大部分数字电路。微控制器+FPGA结构设计大大简化了系统硬件电路的复杂性,增强了系统的稳定性和可靠性。外围电路包括由超声波发射电路,发射/接收转换电路和信号接收及预处理电路组成的模拟信号处理模块、键盘模块、显示模块和数据存储模块。各个电路模块独立完成其功能,又相互联系,共同构建了系统的硬件电路结构。