（检测技术与自动化装置专业论文）基于cpld的低功耗数字涡街流量计研究.pdf

中文摘要 涡街流量计因其介质适应性强，无可动部件，结构简单、使用寿命长等诸多 优点，在许多行业得到了广泛应用。而在低流速下，涡街测量就凸显出了它的不 足，涡街仪表系数呈现出明显的非线性。传统的涡街流量计采用模拟电路处理的 方法，在正常流量范围内，涡街信号稳定、测量准确、实时性强；而在小流量时， 虽然涡街信号仍可测，但由于仪表系数线性度变差，造成实际测量下限比较高， 量程比小，一般仅为1 ：1 0 。以单片机和d s p 技术为核心的数字涡街流量计，在 高端应用中可有效扩展测量下限，但复杂程序算法引入的不可靠性、非实时性与 器件高功耗的问题，在一定程度上制约了它在低端领域的发展。 鉴于上述模拟与数字涡街流量计具有的优势以及存在的不足，课题提出基于 c p l d 的仪表系数修正方案。该方案采用了传统的模拟涡街与c p l d 主控芯片相 结合的硬件结构，运用查找表的方法，对非线性涡街仪表系数进行修正，以改善 整个量程范围内的仪表线性度。在非线性曲线拟合方法上，分析比较了线性插值、 三次样条插值与最小二乘法三种常用方法，最终采用三次样条插值法进行拟合， 同时基于该曲线的拟合及修正方法，设计了查找表自动生成与资源优化的m a t l a b 上位机程序。 本课题成功实现了低功耗设计，通过多种降耗措施，将系统整体电流降至 3 4 8 m a ，实现了4 2 0 m a 两线制电流输出的功耗指标。 该数字涡街系统在天津大学水流量实验装置上进行了大量的实验，结果表明 该系统在提高精度的同时，降低了测量下限，克服了仪表系数的非线性，最终扩 展了量程比，量程比可达l ：2 6 4 。 课题研究的基于c p l d 的数字涡街流量计既保持了模拟涡街稳定可靠、实时 性强的优点，又具备了数字涡街测量下限低、量程比高的特点，并成功实现了低 功耗设计，具有很高的实用价值。 关键词：涡街流量计，c p l d ，低功耗，非线性，查找表 a b s t r a c t t h ev o r t e xf l o w m e t e ri sw i d e l yu s e di nd i f f e r e n tf i e l d sd u et oi t sf l e x i b i l i t yt o v a r i o u sm e d i a ，n o n m o b i l ep a r t s ，s i m p l es t r u c t u r ea n dl o n gl i f ee t c h o w e v e r , i th a sa d i s a d v a n t a g ew h a ti so b v i o u sn o n l i n e a r i t yo f t h em e t e rf a c t o r , w h e no p e r a t i n ga tl o w f l o wr a t e t h et r a d i t i o n a la n a l o gv o r t e xf l o w m e t e rh a sb e n e f i t so fs t e a d ys i g n a l ，h i g h a c c u r a c va n dg o o dr e a lt i m ei nt h er e g u l a rf l o wr a n g e ，w h i l ei th a sp o o rp e r f o r m a n c e o nl i n e a r i t ya tl o wf l o wr a t e ，w h i c hl e a d st ou n s a t i s f y i n gl o w e rl i m i ta n das m a l l e r r a n g er a t i oo f1 ：10 t h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rw i t hd o u b l e c o r ec p u sm a d eu po f m c ua n dd s ph a sas a t i s f y i n gl o w e rl i m i t ，w h i l e i th a sp o o rp e r f o r m a n c eo n r e l i a b i l i t y , r e a lt i m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n an e wd e s i g no fm e t e rf a c t o rm o d i f i c a t i o nb a s e do i lc p l di s d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l v w h i c hi n h e r i t st h ea d v a n t a g e so ft h ea n a l o go n ea n dt h ed i g i t a lo n ea n d m a k e su pi t ss h o r t a g em e n t i o n e da b o v e t h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rs y s t e mh a si t s s 缸- u c t u r e l a tm a d eu po fc p l da n da n a l o gv o r t e x ，w h i c hi m p r o v e st h el i n e a r i t yo f m e t e rf a c t o ro v e raw i d ef l o wr a n g eu s i n g “l o o ku pt a b l e ”t e c h n i q u e c u b i cs p l i n ei s a d p l i e dt oc u r v ef i t t i n gt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o n b e t w e e nt h r e em e t h o d s o fc u r v ef i t t i n g am a t l a bp r o g r a mi sd e s i g n e dt ob u i l dt h el u ta n do p t i m i z e i t s a u a n t i t yb a s e do nt h em e t h o d so f c u b i cs p l i n ea n dm e t e rf a c t o rm o d i f i c a t i o n t h ed o w e rc o n s u m p t i o no ft h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rw a s r e d u c e dt o3 4 8m a ， a n dt h u st h e4 2 0m a c u r r e n to u t p u tb yt w o - w i r es y s t e mw a sr e a l i z e d m a 【s s e so fe x p e r i m e n t so nt h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rh a v eb e e nc a r r i e do u ta t t h ew a t e rf l o we x p e r i m e n tf a c i l i t yi nt i a n j i nu n i v e r s i t y t h ed a t a s h o w st h a tt h e f l o w m e t e rh a st l l ep r o p e r t yo fb e t t e rl o w e rl i m i ti nt h ew a t e rf l o wm e a s u r e m e n tt h a n t h ea n a l o go n e t h eb i g g e rr a n g er a t i or e a c h e st o1 ：2 6 4 t h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rb a s e do nc p l dh a sas a t i s f y i n gl o w e rl i m i tt h a t i i l c r e a s e st h er a n g er a t i oe f f e c t i v e l y , g o o ds t a b i l i t y , g o o dr e a lt i m ea n de s p e c i a l l yl o w p o w e rc o n s u m p t i o n , t h u si ti so fg r e a tp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：v o r t e xf l o w m e t e r , c p l d ，l o wp o w e r , n o n l i n e a r i t y , l o o ku p t a b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：郑建监签字日期：加秒孑年罗月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 郑速竺 新虢椽炙 签字日期：二锄s 年罗月罗日签字日期：z p 年罗月罗日 第一章绪论 1 1 涡街流量计概述 第一章绪论 涡街流量计属流体振动式流量计，流体在特定条件下流动时，一部分动能会 转化为流体振动，其振动频率与流速( 流量) 有确定的比例关系，依据此原理工 作的流量计称为流体振动式流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、 旋涡进动流量计和射流流量计【lj 。 早在1 8 7 8 年，斯特劳哈( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系 的文章，斯特劳哈数就是表示旋涡频率与旋涡发生体直径、流速关系的相似准则。 早期人们对涡街的研究主要是为防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流 体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。5 0 年代开始用于测量的研究，如风速 计和船速计等。6 0 年代末开始研制涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测 法涡街流量计 2 】。7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型检测法 的涡街流量计，并迅速大量生产投放市场，像涡街流量计这样在短短几年时间内 从实验室样机到批量生产的流量计还绝无仅有【3 】。 涡街流量计的工作原理是，在流体中设置旋涡发生体( 阻流体) ，当流体流 动时，旋涡发生体两侧交替地产生有规律的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，旋涡 列在旋涡发生体下游非对称地排列，涡街流量计就是通过测量旋涡的频率从而实 现流量计量 4 1 。 涡街流量计按检测方式划分可分为应力式、电容式、热敏式、超声式、振动 式、应变式、光电式和光纤式等【5 】。其中，应力式( 又称为压电式) 涡街流量计 以其响应快、信号强、工作温度范围宽、现场适应性强、可靠性高等优点，已成 为涡街流量计的主要产品类型。在应力式涡街流量计中，检测元件将其受到的升 力以应力形式作用在压电检测元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤 波、整形后得到旋涡信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低， 但是对振动比较敏剧6 1 。本课题主要针对应力式涡街流量计进行研究。 1 2 涡街流量计的主要问题及研究现状 尽管涡街流量计具有多种优点，但在实际应用仍存在一些问题，影响到这种 第一章绪论 流量计的应用与推广。这些问题主要包括：涡街流量计的下限量程远远高于理论 上可能的最小值；流量计的抗振性能较差，工业现场普遍存在的阀、泵、压缩机 等动力设备和现场随机出现的各种强振动源都可能使测量结果出现很大的误差， 甚至导致流量计难以正常工作，并且这些情况在流量计的低量程范围内表现尤为 明型7 一。 因此，解决涡街流量计低量程的测量范围、抗振性等问题，对于改善涡街流 量计的可靠性和扩大量程比具有重大意义，这也是目前涡街流量计亟待解决的问 题。这些问题的存在与涡街流量计的测量原理、旋涡发生体的结构设计、检测元 件性能与结构、电路设计、流量计的现场安装、信号处理方法等都有密切的关系， 许多学者也从这些方面对涡街流量计进行研究，主要集中在以下几个方面： 1 发生体形状的研究。 发生体的设计必须保证产生强烈而且规则的信号，一般表体中常用的是单个 梯形柱发生体。一些学者从单发生体形状出发，研制出双旋涡发生体以及环形发 生体，对于改善信号质量有一定的效果【1 。 2 检测方式的研究。 目前检测旋涡信号有5 种方式：用设置在旋涡发生体内的检测元件直接 检测发生体两侧差压；旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件 检测发生体两侧差压；检测旋涡发生体周围交变环流；检测旋涡发生体背 面交变差压；检测尾流中旋涡列。 根据这5 种检测方式，又采用不同的检测技术，如热敏、超声、应力、应变、 电容、电磁、光电、光纤等。应力式以其响应快、信号强、工艺性好、制造成本 低、工作范围宽、现场适应性强、可靠性高等优点而被广泛采用1 | 。 3 数字信号处理方法的研究。 由于涡街流量计在测量小流量时，信号微弱易被噪声淹没而难于检测，许多 学者从数字信号处理角度来解决这一问题： 重庆大学蒙建波等采用基于最小均方自适应l m s 算法和修正的线性预测 谱估计分析涡街频率。在由风洞、热线探针、旋涡发生体、前置处理电路和a p p l e 微机构成的测量系统上实现了涡街频率的在线测量处理。此后又研制了8 位微处 理器为核心的流量积算仪，配合应力式涡街流量传感器在天然气输气管道上进行 了现场运行试验，验证了谱分析方法用于涡街流量传感器信号处理的可行性。但 是，没有研究计算的精度和小型化问题。另外，这种方法对谐波干扰的抑制能力 较差【1 2 】【1 3 】。 合肥工业大学的徐科军等先后研究了基于f f t 的经典谱分析法【m 】、最大 熵谱分析法【1 5 】、自适应陷波法 16 1 、小波分析法【1 7 】、功率谱分析法和互相关法【1 8 】、 第一章绪论 自适应滤波方法【1 9 】等多种数字信号处理方法，并研制了基于d s p 和周期图法的涡 街流量传感器信号处理系统，信号处理应用频谱校正理论修正周期图法的分析结 果以提高精度，硬件系统结合信号的分析要求，采用了变频率采样、程控放大器、 环形数据队列等技术。处理系统用函数信号发生器的输出信号进行了性能测试， 达到了很高的实验精度【2 0 1 。 近几年，天津大学自动化学院张涛教授主持的涡街信号处理方面的研究 也取得了很大的进展 2 1 - 2 3 。凌箐硕士研究的松弛陷波周期图法【砒q 以及吴鹏硕士 研究的子波变换消噪方法 2 7 - 2 9 都得到了很好的效果。 4 电路性能改进的研究。 尽管如今数字信号处理技术的飞速发展，使得涡街测量对于前置信号处理电 路的要求有所降低，但人们对它的改进工作却从来没有停止过，尤其在滤波器电 路的改进研究上，取得了一定的成果 浙江大学的闰战科等在比较了各种滤波方法和频率测量方法的基础上， 提出通过自适应高阶低通滤波电路来削弱干扰信号，并采用自适应扩展周期方法 来测量频率。通过采用开关电容滤波器来实现自适应高阶低通滤波，并基于单片 机i o 口的脉冲捕捉功能来实现脉冲频率的精确测量 30 | 。 k a w a n o 通过增强非流线体的刚度和自适应低通滤波方法来提高流量计 的信噪比，并采用自适应低频信号截止辨识器，根据信号频率来调整滤波器的截 止频率，使流量计的抗干扰性能得到了改善。但是，由于限制了频率，无法测量 小流量，量程比受到了限制【3 1 | 。 m i a u 专门研究了冲击振动情况下对应力式涡街流量计输出的影响，通过 改进传感器的设计，在传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器，去除了脉冲振 动产生的尖峰噪声【3 2 i 。 5 仪表系数( 或斯特劳哈数) 非线性的研究。 涡街流量计在正常流量范围内，其仪表系数基本为一常数，但在测量小流量 时，却表现出明显的非线性，制约了涡街流量计的测量精度的提高，在这方面， 也有学者进行了研究： r o s h k o 在低湍流度的风洞中对圆柱形漩涡发生体进行实验，发现在低恐 时，r e 与。殳存在非线性关系，随着r p 增大，& 逐渐不依赖于尺p 的变化而保持在一 个稳定的范围内，此时可视为常数【3 3 】。此后，又有大批学者对圆柱发生体在低 r p 时的只p & 关系进行研究，并给出了许多表示其关系的非线性拟和公式【弘3 6 1 。 虽然涡街流量计中普遍采用的是梯形柱漩涡发生体，但在低r e ( 小流量) 时，同 样存在非线性问题。 天津大学流量实验室早在1 9 9 9 年就针对仪表系数非线性问题进行了研 第一章绪论 究，通过标定实验分析出仪表系数的非线性规律，利用单片机软件补偿对非线性 进行了修正，开发出了具有仪表系数非线性补偿功能的涡街流量变送器。近几年， 通过大量实验更证实了在小流量低尺p 下，涡街流量计的仪表系数存在明显的非线 性，并对这一现象进行了解释【37 | 。 除了学者的研究，世界上很多生产涡街流量计的公司，诸如y o k o g a w a ， f o x b o r o ，r o s e m o u n t 等占据技术领先地位的公司都在不断地进行着涡街流量计 的新技术研究，为涡街流量计的产品化进程起到了巨大地推动作用。 y o k o g a w a 是世界上最早生产涡街流量计的公司，在涡街流量计的技术研究 中一直处于领先地位，它研制的数字涡街流量计，以微处理器为核心，采用频谱 信号处理技术，利用信号频谱分析结果，结合最佳噪声比搜索算法，调整带通滤 波器，除去噪声，提高流量测量精度【3 引。 f o x b o r o 公司采用自适应滤波技术来提高流量测量精度。涡街传感器的信号 通过带通滤波器进行处理，该带通滤波器的截止频率根据涡街信号的测量频率进 行动态调整，提高了测量精度。 r o s e m o u n t 公司研制了以数字跟踪滤波器为核心的涡街流量计数字信号处 理系统，数字跟踪滤波器由一系列具有不同截止频率的高低通滤波器组成，处理 器根据涡街信号特点，选择合适的滤波器处理输入信号。采用数字滤波器提高了 流量测量和控制的可靠性和准确性。 本课题所研究的“基于c p l d 的低功耗数字涡街流量计”亦属于致力于推向 市场的产品，因此作为一种产品化研究对象，其独特的设计理念，较高的测量精 度以及高度的可靠性，都使对它的研究与应用，成为一种必然。 1 3 课题的提出与意义 正如前文所述，涡街流量计具有诸多优点，同时也有许多亟待解决的问题。 在实际应用中，突出表现为整个量程范围内涡街信号的非线性和低信噪比情况下 信号的不可测性p9 i 。 针对这些问题，国内外学者及科研机构纷纷研究并提出各种解决方案，即应 用数字信号处理的方法解决 4 0 4 2 1 ，但大部分只是停留在方法上的研究，而没有将 高效率的算法应用于实际服务于生产。 目前，国内生产的涡街流量计还限于应用模拟电路的方法对涡街信号进行处 理( 称为模拟涡街流量计) ，这样解决不了仪表系数非线性的问题，导致下限太 高，量程比只能达到1 ：1 0 ，远低于理论量程1 ：1 0 0 。国外也只有y o k o g a w a 公 司、r o s e m o u n t 公司和a b b 公司研发出了应用数字信号处理的方法处理涡街信号 第一章绪论 的涡街，即数字涡街流量计，但是具体的技术并不公开【4 3 1 。 目前在数字涡街的研究中，人们越来越多的使用单片机和d s p 的双核技术。 以这种技术为核心的数字涡街流量计具有精度高、功能丰富等诸多特点，但这种 方法也有其诸多不足：一方面，高效的算法需要复杂的程序语言来实现，而程序 中的微小纰漏与应用现场复杂情况造成的不确定性，都易使得程序偏离正常的分 支，进而造成死机或者程序“跑飞”的现象。因此，若要实现一个稳定可靠的软 件系统，不仅对编程者提出了极高的要求，还需要在长时间内根据使用中出现的 不同问题不断进行调试和优化。另一方面，双核系统在数据传输中端口与速度的 不匹配性，也造成其硬件上的不稳定。单片机使用低速的i o 端口传递数据，d s p 则靠高速的h p i 模块传递数据，二者速度的不匹配以及干扰信号的引入，都会造 成软件系统的不确定性，进而影响其可靠性。此外，d s p 系统相对较高的功耗始 终制约其在低功耗领域取得更大的发展。虽然在低功耗模式下，d s p 系统功耗可 降至较低的水平，但在正常工作模式下，其电流输出指标始终不满足4 - 2 0 m a 电 流输出的要求。因此，双核系统的低功耗设计任重而道远。 近年来，随着f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，简称f p g a ) 与c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，简称c p l d ) 技术的飞速发展及其广泛应 用，使得基于c p l d 的信号处理方法得以在硬件上实现m 】。c p l d 技术在数字涡 街应用中的显著优点为： 1 高度的稳定性与可靠性。基于乘积项的c p l d 器件内部基本结构为“与 或阵列”，本质上是纯硬件结构的，因此在工作时，它通过编译程序语言，完成 门电路的组合和内部电信号的传递，实现逻辑功能，而无需依靠执行语句来完成。 这就从根本上克服了软件系统中易出现的死机与程序“跑飞”现象，提高了稳定 性与可靠性。 2 低功耗。在以往的设计中，单片机与d s p 的优缺点都很明显：单片机具 有低功耗但低工作频率的特点；而d s p 则具有高工作频率但高功耗的特点。因 此，二者始终无法将高速与低功耗很好的结合起来。而c p l d 芯片则兼具高速与 低功耗的特点。经实验证实，通过合理选型，以m a xi i 系列c p l d 为主控核心 的数字涡街流量计可成功实现高时钟频率下的低功耗设计。 3 设计简单。在软件上，无需复杂的信号处理算法，简化了编程语言；硬 件电路上，c p l d 芯片采用j t a g 下载方式而无需配置芯片，同时接口丰富、兼 容性强，加之其高度的抗干扰能力，都大大降低了电路设计的复杂性。 本课题设计的数字涡街为低功耗系统，对器件低功耗的要求是被首先考虑 的，而数字涡街中常用的d s p 芯片由于始终无法实现4 2 0 m a 的低功耗指标， 因此本系统不引入单片机与d s p 的双核系统，而仅采用单核系统实现数字涡街 第一章绪论 的设计。 在以前的研究中，人们针对基于单片机的数字涡街系统做了大量工作，而将 c p l d 引入数字涡街系统中还未有前人尝试。表1 1 对比了c p l d 与单片机数字 系统的性能和特点。 表1 1c p l d 与单片机数字系统的性能和特点 c p l d 单片机 结构门电路组成的纯硬件结构 单线程软件结构 工作方式经程序固化成门电路组合按时钟信号顺序读取语句 时钟速度核心频率可以到几百兆仅可达几十兆 运行方式并行运行串行运行 处理能力所有进程都同时运行，处理能力强调用中断资源响应事件，处理能力有限 集成度集成度低，种类少集成度高，种类丰富 功能单一，软核资源少，不易开发丰富，编程灵活，易开发 普遍较高，但部分低功耗产品普遍较低，部分器件 功耗 静态电流可低至3 0 0 ua静态电流可低于lua 由c p l d 的结构及工作方式可知，c p l d 工作时将程序固化成了门电路的组 合，因而信号与数据经确定的传输通道进行处理，不会出现软件系统中程序“跑 飞”的现象；加之工作频率高，端口间信号传递可达n s 级速度，同时具备了多 进程并行处理的能力，因此具有极其良好的实时性。与单片机相比，c p l d 在数 字系统应用中的缺点同样很明显，突出表现为集成度低，功能单一，大部分器件 功耗较高等。与f p g a 不同，c p l d 主要用于逻辑控制，基于其本身所开发的软 核资源较少，加之其系列产品功能、集成度相对一致，因此在功能扩展上，c p l d 远不如单片机。 在大部分中、低级涡街流量计中，往往对功能要求较简单，而对准确性、稳 定性的要求很高。经对比c p l d 与单片机的种种优缺点，可知c p l d 是应用于这 类中、低级数字涡街的理想器件，同时由于c p l d 电路设计简单，成本低，更易 促进此类产品的推广。 综合以上分析，提出了本课题的内容：首先通过优化涡街前置信号处理电路， 使其仪表系数在较宽的量程范围内保持良好的重复性。然后通过c p l d ，对信号 进行采集，利用脉冲捕获的方法辨识其输入频率，当该频率段仪表系数线性度较 好时，无需修正；当其线性度不满足精度要求时，通过查找表的方式进行系数修 正，最终实现输出。为实现系统的低功耗指标，本方案从c p l d 芯片选型、模拟 第一章绪论 电路设计和v h d l 程序优化等多方面入手，始终注重降低系统的功耗，并最终 成功将系统动态功耗降低至4 m a 以下，实现了4 2 0 m a 电流输出。该方案的突 出特点在于不使用复杂的信号分析处理算法，实现低流速点的准确测量与修正， 并且扩大量程比。 将c p l d 应用在涡街流量计上，作为可编程逻辑器件在流量计领域的探索性 研究，可以极大地推动以f p g a 为核心的智能流量计的发展研列4 5 1 4 6 1 。尤其在数 字涡街领域，f p g a 可以充分利用其丰富的逻辑资源优势和数字信号处理技术在 流量测量方面的研究成果，使得复杂的信号处理算法得以在纯硬件结构的f p g a 上实现【4 7 】 4 8 1 。 如何广泛应用现代数字信号处理技术中的新思路新方法对涡街信号进行有 效处理，并保证检测系统的高性能与长期的稳定性，实现流量检测仪表在工业现 场的复合性应用，成为涡街流量计研究的一大课题。因此，“基于c p l d 的低功 耗数字涡街流量计研究”的课题应运而生。 1 4 论文的研究内容和创新点 针对目前涡街流量计的研究现状，以及c p l d f p g a 技术的发展应用前景， 本课题将c p l d 器件应用到数字涡街流量计的研究中，通过软硬件的实现，设计 出集脉冲输出与电流输出功能集一身的低功耗数字涡街流量计。实验表明，该系 统具备测量下限低，精度高，稳定性强等特点，对c p l d 与f p g a 在智能流量计 中的更广泛应用，进行了有益的探索。 课题研究内容包括： 1 优化应力式涡街流量计前置信号处理电路。利用电路仿真方法，分析滤 波电路，结合实验中涡街信号的幅频特性，合理设置滤波参数，优化前置电路， 为扩展检测下限奠定基础。 2 深入分析涡街仪表系数及其非线性特性，研究仪表系数非线性拟合方法。 引入三种常用数据拟合公式，以实验数据为依据，比较三种公式的拟合精度，最 终确定采用“三次样条插值 公式进行拟合。 3 优化修正算法，减少查找表数目。通过m a t l a b 上位机程序，合理优化 查找表资源，适应器件的资源要求。 4 从整体出发，进行系统的低功耗设计。软件上，优化算法，合理减少查 找表数目；硬件上，选取m a xi i 系列c p l d 中内核电压最低与逻辑单元数较少 的g 5 7 0 芯片族，而其余电路亦根据低功耗原则，进行芯片选型与电路设计。 5 应用c p l d 技术。根据涡街输出信号及c p l d 的i o 端口特性，确定采 第一章绪论 用脉冲捕获的方法获取涡街模拟信号，以查找表的编程思想和方式实现非线性流 量点的仪表系数修正，最终实现方波脉冲输出与电流输出。 6 分别在2 5 m m 和5 0 m m 口径的水流量实验装置上进行实验，与传统模拟 电路实验结果进行对比，验证了本课题提出方法的可行性，且表明无论从测量精 度以及可靠性上，都优于传统设计。 课题主要创新点： 1 将c p l d 技术应用于数字涡街研究中。传统的数字涡街流量计多是基于 单片机与d s p 软件系统的，c p l d 则凭借其出色的时序控制功能应用于计算机、 通信、工业控制等领域。而将二者结合起来，打破了它们各自传统的设计局限， 一方面扩展了c p l d 技术的应用领域，另一方面大大提高了数字涡街流量计在可 靠性与精度上的性能。 2 根据涡街流量计流量与仪表系数关系曲线的特点，提出利用三次样条插 值法对该曲线进行逼近，不仅定点修正能够保证较高精度，而且与常用的最d - - 乘法、线性插值法相比，在整个流量范围内也能做到逼近误差最小。 3 。受低功耗以及c p l d 资源限制，对c p l d 中查找表数目必须进行优化， 达到利用最少查找表来满足精度的要求。依照此目的，设计了上位机曲线拟合及 查找表生成程序，根据每次实验结果自动优化并生成查找表。 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 2 1 涡街流量计的工作原理 2 1 1 涡街的产生与涡街现象 涡街流量计实现流量检测的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。 如图2 1 所示，在流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线型阻流体( 如三角 柱，圆柱等) ，称之为旋涡发生体，随着流体沿旋涡发生体流动的速度逐渐加快， 雷诺数& 逐渐增大，当尺p 达到4 0 左右时【4 9 】，由于旋涡发生体后半部分附面层中 的流体团受到更大的阻滞，就会在旋涡发生体下游产生两列旋转方向相反、平行 参差排列的涡列，这就是所谓的“卡门涡街”【5 0 】。 图2 1 卡门涡街 其中雷诺数r p 的定义为： 尺p ：生：里( 2 - 1 )尺p ：兰() 乒y 式中，工作状态下流体的运动粘度，m 2 s ； 歹被测介质来流的平均流速，m s ； d 旋涡发生体的特征尺寸，m 。 值得注意的是，由于旋涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。卡门对 涡列的稳定性条件进行了研究，于1 9 1 1 年得到结论：只有形成相互交替的内旋 的两排旋涡，且当两旋涡列之间的距离h 和同列的两旋涡之间距离，之比满足 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 h l 0 2 8 1 时，所产生的涡街才是稳定的。 2 1 2 涡街的测量 大量实验证明：在二维流动状态下( 来流单相、定常；阻流体具有规则截面， 且可视为无限长) ，当满足涡街稳定的条件时，涡街的单侧旋涡脱落频率( 简称 涡街频率) f 与阻流体两侧的平均流速m 之间具有以下关系： 厂：旦 。 d 式中d 阻流体迎流面的最大宽度，m ； 妒一斯特劳哈数。 根据流体流动的连续性理论易知： m d ， 百 式中矿被测介质来流的平均流速，2 s ； m 旋涡发生体两侧流通面积与管道截面积之比。 被测介质的体积流量为： 绋= 痧= 等等厂= 丢 k = 历4 s 丽t万d z m d ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 式中d 管道直径，m ； k 涡街流量计的仪表系数，频率值m 3 。 由式( 2 5 ) 可看出，对于给定的涡街流量传感器，其管道直径j d 、旋涡发生 体特征尺寸d 、所及斯特劳哈数& 是可知的，因此此仪表系数k 也是确定的， 只要准确测得旋涡的分离频率厂，就可以得知被测流体的速度矿，从而到达测量 管道内流量的目的。 值得注意的是，式( 2 4 ) ( 2 5 ) 成立的前提条件是要保证流体的雷诺数在使斯 特劳哈数恒定的范围内。由粘性流体力学对涡街现象的研究可知，对于典型的圆 柱型的发生体，雷诺数在3 1 0 2 2 1 0 5 的范围内斯特劳哈数恒定，其他类型发 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 生体( 如梯形柱) 大约也在这个量级。显然，涡街流量计实际测量的量程下限远 远高于理论值，因此，扩展涡街流量计量程的下限是一个重要的研究课题。 2 2 涡街仪表系数分析 2 2 1 仪表线性度与重复性 由上文分析可知，涡街流量计的仪表系数仅与涡街信号频率相关。因此，在 工业现场及应用中，人们常常以更具物理意义的公式表示某检定点的仪表系数： k ：盟 k 式中m 脉冲数： 形流体体积，2 3 ； 此时，仪表系数物理含义为单位体积的脉冲数， 对某个测量周期中所通过的流体总体积之比。 ( 2 - 6 ) 它是以脉冲数表示仪表输出 根据检定规程，涡街流量计的仪表系数，线性度与重复性分别定义如下 仪表系数k ： k = ( k 。+ k m i i i ) 2 ( 2 7 ) 式中 k 量程范围内，各检定流量点k 系数的最大值； k 。量程范围内，各检定流量点k 系数的最小值。 线性度万： 万= ( k 懈一k 廊) ( k 咖+ x 曲) ( 2 - 8 ) 重复性盯： q = 击b 打叫互枷似 髀9 ， 仃= 【q 】一 ( 2 1 0 ) 式中 k ，第j 个检定点第次检定的系数： ， k 第，个检定点的系数； 仉第j 个检定点的重复性。 在涡街仪表系统中，仪表的精度是以仪表的线性度和重复性来衡量的。仪表 线性度也称非线性误差，反映了实际仪表系数对理想仪表系数之间的偏差。在工 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 业仪表检测中，常以线性度，即非线性误差作为判断精度等级的尺度。规定用非 线性误差中去掉百分数( ) 的数字表示精度等级，其符号为g ，同时要求在某一精 度等级内，重复性应小于最大非线性误差的l 3 。 对于本课题研究的涡街流量计来说，测量液体的精度等级一般为1 0 级，气 体为1 5 级。对于普通模拟涡街，在此精度下的量程比一般为l ：1 0 。 2 2 2 仪表系数非线性研究 涡街流量计在正常流量范围内，其仪表系数基本为一常数，但在测量小流量 时，却表现出明显的非线性。r o s h k o 在低湍流度的风洞中对圆柱形漩涡发生体 进行实验表明，在采用圆柱发生体进行实验时，在低尺p 时，r e 与仪表系数存在 非线性关系，随着r e 增大，仪表系数逐渐不依赖于& 的变化而保持在一个稳定 的范围内，此时可视为常数。多年来，又有大批的学者针对圆柱发生体在低雷诺 数下的& ，即仪表系数进行研究，结果均证实这一规律的正确性。 对于目前普遍采用的梯形发生体涡街流量计，其r e 与& 之间亦存在显著的 非线性关系。为验证梯形发生体涡街非线性规律，课题采用了数字信号处理方法 ( 图2 2 ) 对其进行了基于实验的分析与研究。 i 涡街li 电荷ii 低通li a d il 计算机l 信号输出 i 传感头r _ - 1 放大r 1 滤波r _ 1 采集卡卜叫频谱分析r 斗 图2 2 数字信号处理方法 3 0 0 ，、2 8 0 2 6 0 、- ，2 4 0 k2 2 0 2 0 0 籁1 8 0 谣1 6 0 1 4 0 蝶1 2 0 1 0 0 g8 0 6 0 10 0 0 2 0 0 03 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 0 雷诺数胎 图2 - 3 三次试验r e - k 关系图 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 实验利用快速傅立叶变换( f f t ) 经典谱估计分析将时域上受噪声干扰强烈的 涡街信号变换到频域研究，直接利用f f t 对有限时间序列计算功率谱，再根据 最大似然方法，将功率强度最大点对应的频率提取出来即为涡街有用信号的频 率，这种方法能够有效且准确地反映涡街真实频率。 实流实验在天津大学流量实验室2 5 m m 口径水实验装置上进行，根据三次实 验的结果，绘制出反映了r e - k 关系的曲线图( 图2 3 ) 。 由实验分析发现：梯形发生体的仪表系数在低雷诺数，f l l j , j , 流量时同样存在 非线性问题： 在低雷诺数下( 2 5 0 r e 2 0 0 0 时，k 趋于常数，此时为涡街流量计的正常工作范围。 2 3 仪表系数修正方案设计 目前国内大部分的涡街流量计都是基于电荷放大电路、滤波电路、脉冲整形 电路组成的一套模拟电路的涡街流量计。实践证明，在正常流速范围内，由于仪 表系数不随r e 的变化而保持恒定，因此模拟涡街流量计可以得到良好的测量效 果：当流速较低时，虽然涡街频率仍可测，但仪表系数随流量的减小而非线性增 大，导致测量结果偏离真实值；而当流速极低时，采用单一模拟涡街流量计的方 法，便无法从复杂的噪声信号中准确提取有用的涡街信号。正是由于低流速下仪 表系数的非线性与极低流速下信号不可测性，导致单一模拟涡街流量计测量精度 较低，量程比也仅达到1 ：1 0 。 在以往的涡街信号分析中，往往将极低r e 下信噪比降低，有用信号无法提 取作为制约下限测量的主要因素。但是由前文分析及大量实验证明，除极低只g 流量范围外，在较宽的r e 范围内，通过合理设置模拟涡街电路参数，其涡街频 率是可测的，并能保证较高测量精度和较好重复性。因此，利用非线性修正的方 法，将该低r p 范围内系数降至正常流量的仪表系数范围，即可有效地降低其测 量下限，扩展量程比。 目前，国内比较先进的数字涡街流量计大多是由模拟涡街电路与单片机d s p 系统共同组成。这种设计方案虽然通过采用现代数字信号处理技术，有效地解决 了极低流量无法测量的伺题，但由于复杂算法造成程序的不稳定性与低可靠性， 影响了它在工业现场的应用；另一方面，低功耗设计的难以实现，也在一定程度 上限制了它的发展。 鉴于上述模拟涡街流量计的信号特点，以及数字涡街流量计存在的不足，本 课题提出了“基于c p l d 的数字涡街流量计”的设计方案。该方案既保留了原有模 第二章涡街流鼋计与仪表系数修正方案 拟涡街流量计在正常流量范围内测量准确、实时性好的优势；又采用c p l d 技术， 有效地克服了小流量下仪表系数非线性的问题；同时也通过低功耗设计，实现了 4 2 0 m a 电流输出的功耗指标，保证了该系统的高度可靠性与稳定性。 本课题的整体设计示意图如下 图2 4 基于c p l d 的数字涡街流量计方案设计示意图 课题设计的数字涡街流量计采用了传统的压电式模拟涡街的前置信号处理 电路，包括电荷放大器、电压放大器、限幅与低通滤波器和施密特触发器。模拟 涡街电路通过对压电传感器m v 级的微弱电荷信号的预处理，将压电陶瓷产生的 与旋涡分离频率相同的正弦电荷信号，变换为与流量成正比的方波信号。由于模 拟涡街输出的方波不足以驱动c p l d 的i o 端口，因此，需要通过单稳态触发器 的整形功能将模拟方波信号转换成频率相同且符合要求的p w m 波，再输入至 c p l d 。 ，在正常流量范围的情况下，因为涡街仪表系数满足线性度要求，因此无须对 信号进行系数修正；当处在小流量的情况下，虽然微弱的涡街信号经由模拟电路 处理仍然可测，但仪表系数随流量的减小而越来越大，这样便不满足仪表对精度 与线性度的要求，因此，需要对涡街信号进行系数修正，即频率修正，最终再实 现修正后的信号输出。 实验证明，经修正后，小流量点输出频率显著降低，仪表系数亦降低至测量 精度较高的系数区间，从而使得更宽的流量范围内仪表系数满足线性度要求，进 而扩大了涡街流量计量程比，具有很好的实际意义。 第二章涡街流量计与仪表系数修正方案 但是由于c p l d 芯片与其他低功耗系列主控芯片相比，功耗较高，加之时钟 电路的引入、高频工作的要求使系统功耗较高，因而若要实现4 - 。2 0 m a 两线制模 拟量输出，必须想方设法降低系统功耗，这也是本课题的主要工作之一。 第三章基于c p l d 数字涡街流量计的硬件设计 第三章基于c p l d 数字涡街流量计的硬件设计 课题电路系统为集两线制电流与三线制脉冲两种输出方式为一体的设计，因 此，主要从双通道输出和低功耗的角度考虑，设计了基于c p l d 数字涡街流量计 系统的整体电路。 如图3 一l 所示，仪表的整体结构可分为涡街前置信号处理电路，标准脉冲整 形电路，精密压流转换电路，电源电压转换电路，晶振电路以及最为核心的c p l d 主控芯片电路，总共六大部分。 广一一： i 前置信号处理电路 i i 图3 1 系统整体硬件电路设计示意图 3 1 涡街前置信号处理电路 课题设计的数字涡街流量计选用压电式涡街传感头，即检测涡街频率信号应 用应力式检测方式。把应用膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发生体 后，当旋涡在旋涡发生体附近产生后，就会作用在检测元件上面产生一个交替的 升力，该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同，这个升力加上管道噪声 第三章基于c p l d 数字涡街流量计的硬件设计 和流体振动噪声同时作用在检测元件上，使其产生应力变化，应力差作用于膜片 上，使检测元件内的压电晶体元件的诱导电荷发生变化，将电荷变化量引出，它 是微弱的含有各种噪声的电荷信号( 幅值在几m v 左右) ，此即压电传感头的输 出信号，亦是涡街前置放大电路的输入信号。而前置放大电路的任务是将检测元 件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉冲信号。 前置放大电路主要由电荷放大器，电压放大器、限幅与低通滤波器，和施密 特触发器四部分构成，而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路 来实现。 出于对系统的低功耗特性和输出的驱动能力两方面的考虑，课题分别选用了 美国德州仪器( 简称t i ) 公司的单电源、低电压、低功耗的t l v 2 2 5 4 四运算放 大器和t l