基于FPGA科氏质量流量计驱动系统与算法研究

来源 :四川轻化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:godsayyou
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随着石油运输、天然气贸易等现代化工业的高速发展,对能可靠、高效测量流体质量流量的计量仪器的需求日益增多。而科氏质量流量计,因其可直接测量流体质量,且具有精度高、稳定性好等优点,引起了社会的广泛关注,并成为现在高校的研究热点。驱动系统是保证流量计正常工作的前提,但传统模拟驱动系统驱动测量管起振速度慢,影响流量计对流体质量流量测量。因此针对科氏流量计传统模拟驱动系统起振慢的问题,本研究分析模拟驱动系统组成,通过在自动增益电路后级添加幅值控制电路,对传统模拟驱动系统进行改进,研制出科氏流量计变信号幅值模拟驱动系统。所研究驱动系统与传统模拟驱动系统相比,提高了测量管起振速度与系统稳定性。虽然本课题对模拟驱动方法与电路进行了相关研究与改进,但仍然存在一些问题,其主要缺点为:模拟驱动电路占用空间体积较大,元件之间干扰较多,且驱动信号幅值不稳定,易受外界环境干扰等问题。本论文针对所面临问题展开了以下研究内容:采用数字器件FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)代替模拟电路,研究科氏流量计数字驱动系统。在改进模拟驱动系统的原理基础上,研究基于FPGA并行处理信号方式的高速数字滤波器和数字AGC,替代模拟电路中所使用滤波器模块和AGC电路模块。实际驱动测试表明,所研究数字驱动系统起振时间缩小到3.6秒,且相比于模拟驱动抗干扰性能力更强。科氏流量计流量测量主要基于传感器信号频率测量和相位测量两个因素,从频率测量方面:分别对自适应陷波器法、等精度测频法、直接测频法进行研究分析,得出其优缺点,并对自适应陷波器进行改进,频率测量误差减小到1 Hz以内。而相位测量方面,对Hilbert变换相位差测量法展开研究,针对非整周期采样下Hilbert变换误差产生原因及分布规律进行研究分析,根据其分析结果,通过对非整周期采样下数据进行加窗函数处理,然后数据周期化的方法,以减小其变换误差,并进行MATLAB仿真实验,实验表明改进方法提高了非整周期采样下相位差测量精度。采用CORDIC算法在FPGA中实现三角函数运算,对改进相位差测量法进行仿真测试。由于流量计驱动起振实验过程中,需要对流量计驱动信号与传感器信号进行观测,以确定流量计是否起振完毕,因此需要基于C#搭建数据采集平台。并进行流体驱动起振测试。
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