基于FPGA的科氏流量计驱动技术实现

　　图1所示为科里奥利质量流量计的结构示意图[1],驱动单元D使平行的U形管做一阶弯曲主振动,A、B分别为两个检测单元,当管道内有液体流动时,由于科氏力的作用,A、B检测单元的反馈信号会

　　产生相位差,根据这个相位差来检测液体的流量和其他参数。当U形管以固有频率振动时,驱动单元D所需的驱动能量最小,A、B检测单元的信噪比最高。因此,U形管能否以固有频率稳定地振动与科氏流量计的精度有直接关系。

　　1　传统驱动方案的优缺点

　　图2所示为科里奥利质量流量计传统的驱动方案[2, 3]。

　　该方案无论是模拟系统还是基于MDAC[4]或DAC&&MDAC[5]的数字系统,都是直接将检测线圈的反馈信号和自动增益控制输出量相乘。这种方案对U形管固有频率的跟踪速度最快,也最准确。但是,这种方案的可控性差,驱动信号频率取决于反馈信号,当需要改变时无法进行人为的控制。为了弥补这个问题,这里提出了一种基于FPGA的波形合成驱动方案。

　　2　驱动方案的原理与实现

　　波形合成方案结构如图3所示,它由FPGA和模拟两部分构成。这种驱动方案的原理为:通过检测D/A输出的驱动信号和检测单元的反馈信号的相位差来修正驱动信号的频率,使之接近或等于振动系统的固有频率,并使用这个频率合成频率可变、幅值恒定的正弦信号。另外,通过对检测线圈反馈信号进行信号调理,得到它的幅值,并通过自动增益控制来保持它的幅值的稳定性。

　　2. 1　模拟部分的数学模型

　　U形管的一阶主振动近似为在周期驱动力下的自由度为1的定常强迫振动[6],模拟系统的传递函数为[7]

　　式中,E(s)为检测线圈输出电压;U(s)为数模转换器的输出电压;ξ为U形管阻尼率;ωn为U形管的无阻尼固有频率;kall为放大系数。为了便于分析,并结合东风机电有限公司的7型传感器的相关参数,令kall=1;ξ=0.0005;ωn=2×π×85 rad/s=534. 0708 rad/s

　　传递函数的波特图如图4所示,由波特图可知:

　　①当D/A输出的驱动信号的频率和振动系统的固有频率相等时,驱动信号和检测单元反馈信号之间的相位差为0;

　　②在谐振点附近,振动系统对驱动信号频率的灵敏度非常高,因此通过检测D/A输出的驱动信号和检测线圈的反馈信号的相位差来判断振动系统是否处于谐振状态是完全可行的。

　　2. 2　基于FPGA的驱动系统的实现

　　驱动系统基于FPGA的实现如图5所示,图中包括与模数转换器的接口模块AD7656;分频模块de-code22;幅值检测模块Adetec;t相位检测和频率计算模块Wdetect1;正弦波生成模块singen;增益控制模块AGC;数模转换器的接口模块AD5061。这里最重要的模块就是幅值检测模块、相位检测模块、正弦波生成模块以及增益控制模块。