应用PLD实现科氏质量流量计的数字部分设计

　　引言

　　科里奥利质量流量计(Corioils Mass Flowmeter，简称CMF)是一种利用流体在振动管内产生与质量流量成正比的科氏力为原理所制成的一种直接式质量流量仪表。当前，基于此原理已开发研制了多种科氏流量计并得到广泛应用。但是，它们普遍存在精度低、体积大、功耗大等问题。我们利用PLD器件开发研制了新一代U形双管式科氏质量流量计。它可以侦测流体的流速、密度、流量、温度等指标，与现在普遍使用的科氏流量计相比具有体积小、功耗低、功能强、精度高、适应性强等特点，具有较大的推广价值。

　　本文主要这种新型科氏质量流量计的系统工作原理，数字系统的设计、实现及关键技术，并给出了实际应用结果。

　　系统原理

　　图1 为U形检测管受力模型。两根检测管在电磁激励器的激励下，以其固有频率振动，其振动相位相反。当流体通过两根检测管时，由于振动效应而产生科氏力作用于两检测管，而使U形管发生扭转，其扭转程序与管内瞬时质量流量成正比。位于检测管的进流侧和出流侧的两个电磁检测器，可检测出两路频率相同，但有相位差的振动信号。其相位差同瞬时流量成正比。振动信号周期与流体密度密切相关，流体密度愈大，振动周期愈大。因此通过对这两路信号的相位差及周期进行处理，可以得到流体的流速及密度。此外通过一个温度传感器，可获得流体的温度。

　　图一 U形检测管受力模型

　　将由检测管所获得的两路信号以及温度信号经数字化后进行处理，便得到流体密度、流速、温度及累计流量等数据。利用PLD器件，我们实现了信号提取、处理、存储、显示以及差错控制、数据传输、数据通信等功能，与现有的具有相同功能的科氏流量计相比大大减小了硬件规模。

　　数字部分系统设计

　　数字系统实现模块图见图2。按所实现的功能，可将系统划分为几个大单元：数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、意外保护单元以及控制单元。其中，数据采集单元又可细分为数字化采样和帧编码;数据处理单元可细分为初步计算、零点校正和温度补偿。

　　图二 数字系统实现模块图

　　1. 数据采集单元

　　原始的相位差、周期、温度等信号需要经过数字化后才可进行进一步处理。由检测管产生的两路有相位差的正弦信号通过模拟部分的处理生成两路同周期、有相位差的方波信号，连同温度传感器产生的温度信号送至数据采集单元。在这里，它们被数字化采样，而后进行帧编码再存储于FIFO中。