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基于FPGA的电磁流量计信号转换器硬件设计与开发.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于FPGA的电磁流量计信号转换器硬件设计与开发pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含分类号UDC密级F学位论文基于FPGA的电磁流量计信号转换器硬件设计与开发作者姓名:指导教师:申请学位级别:学科专业名称:论文提交日期:学位授予日期符等。

分类号UDC密级F学位论文基于FPGA的电磁流量计信号转换器硬件设计与开发作者姓名:指导教师:申请学位级别:学科专业名称:论文提交日期:学位授予日期:董晓勇柴天佑教授东北大学自动化研究中心硕士学科类别:工学控制理论与控制:程年月日论文答辩日期:年月日衡诿员会主席:罄豆酝教授评阅人:关"知洙撇艇蔚鹚喂别渡相东北大学年月东北大学硕士学位论文摘要基于FPGA的电磁流量计硬件设计与开发摘要近年束由于市场需求的增长国内电磁流量计生产商迅速增加。与国外著名品牌相比国产品牌电磁流量计在性能和质量上存在一定差距特别是高端电磁流量计几乎被国外品牌垄断。采用专用芯片和加密是国外产品进行技术封锁的主要手段。为了打破国外高端电磁流量计的垄断为了提高仪表的集成度减小体积加强知识产权保护手段为了提高产品质量与可靠性本文结合某高端电磁流量计的开发项目采用芯片设计技术设计开发出一块包含CPU软核、软核和其它几乎包括了该型电磁流量汁所有数字电路在内的专用芯片并采用现场可编程门阵列(b'PGA)加以实现通过了硬件电路级验证为实现某型具有自主知识产权的商端电磁流量计的微型化打下了良好的基础。主要工作如下:.对电磁流量计领域的国内外发展状况进行了全面系统的综述分析了同前励磁技术的原理及特点针对于本文设计的、用于浆料等多项流测量的高端电磁流量计确立了以交流励磁作为电磁流量计的励磁方式进行了电磁流量计信号转换器系统的整体设计提出了以FPGA为数字电路处理核心、模拟滤波技术为基础的电磁流量计信号转换器的低成本方案实现对『F交干扰、同相干扰、高频干扰的滤波滤波后信号的数字化流量的计算流量以及信息的显示外部设置输入流量信号输出等具体功能。.分析电磁流量计信号转换器硬件实现所需功能提出了硬件系统设计架构。模拟部分采用仪用运放和可编程放大结合方法实现毫伏级信号的转换以及同相干扰的克服扩大了对流电阻率的限制采用低通滤波器限制高频干扰。.按照整体设计中需要FPGA实现的功能设计了FPGA芯片内部整体结构。芯片设计采用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)编程风格采用Gaisler二进程结构其描述复杂逻辑事件好处是继承性扩展性强利于调试等。也是着眼于功能完善之后的批量低成本ASIC。.基于上述设计系统采用Atium公司的Nanoboard开发板进行了功能分析、调试工作完成了电磁流量计信号转换器硬件系统的开发、调TT东北大学硕士学位论文摘要试。硬件系统的运行取得了预期的效果文章末尾对下一步的工作进行了展望。关键词:电磁流量计交流励磁现场J‘编程逻辑门阵列VHDL。干扰东北大学硕士学位论文AbstractTheHardwareSystemDesignandDevelopmentforEMFSignalConverterBasedonFPGAAbstractWiththeEMFmarketrequirementgrowingtheseyearsthenumberofnativeEMFmanufacturersareincreasingquickly.TherearegreatlydifferenceinperformanceandqualityofEMFbetweenthenativeandthefamousbrandespeciallythehighqualityEMFandthemarketofwhiehhasbeenmonopolizedbythefamousinternationalbrand.What’Smoreoverseasmanufacturersadoptedspecialchipsandencrpytiontechniquestokeepthetechnologysecret.InordertobreakthemonopolyenhancetheintegrationofinstrumentmaketheinstrumentmorecompactstrengthentheprotectionofthetechniqueintellectualpropertyrightandalsotoimprovethequalityandreliabilityoftheproductsonthebackgroundoftheprojectthatdevelopedsomehighqualityEMFthethesisdesignedaspecialchipwiththelatesttechniqueofchipdesignwhichhadaCPUkernaltimerandmostpartofdigitalcircuitsthataEMFcontainedinsideandafterpassedhardwareRTLVatidateitwasimplementedonFPGA.ItwasveryimportantforrealizeminisizingofhighqualityEMFwithtechniqueintellectualpropertyrightofnativeThemainworkinthethesiswereasfollows:.ThedevelopmentofEMFintheworldwassummarizedinsystem.AfterstudyingtheexcitationtechniqueatpresentandinordertomaketheinstrumentidealforallpulpandpaperindustryapplicationthethesisdesignedthewholestructureofaEMFsignalconverterandprovidedawholelowcostsystemofEMFsignalconverterwithACexcitationwhichhasFPGAincentertorealizethefunctionofdigitalcircuitsandbasedontheanalogfiltertechnique.Ithassucceedinfilteringmostdisturbanceincludingthe。disturbancesamephasedisturbanceandhighDequencydisturbanceandalsorealizedthedigitalfunctionsuchasthemeasureofthespeedofflowdisplayoftheinformationandhandlingtheinput..ThethesisprovidedthestructureofhardwareafteranalyzedallthefunctionsofEMFthatneededtobeimplementinhardware.CombiningnormaldifferentialamplifierandprogramminganaplifiermethodtheEMFsignalconverterrealizedtheconversionamongthesignalsinMV.Atthesametime东北大学硕士学位论文AbstractthesystemreducedtherestrictofresistancefarthestandadoptedIOWpassfiltertorestrainthehighfrequencydisturbance.ThethesisprovidedthestructureofFPGAkernelaccordingtothedesignwhichprogrammedbyVHDLlanguagecharacteredbyGaislerbinarycoded.Itwaseasytoinheritanddebugandalsowithstrongexpansibility.What’Smoreitwasimportanttorealizelowcostinthenearfuturewhentheinstrumentswereproducedbybatch..BasingontheabovedesignthethesisusedtheNanoboarddevelopingboardproducedbyAltiumtoanalyzeanddebugthefunctionsthatneededtobeperformed.AndthethesisfinishedthedevelopmentanddebugofthehardwaresystemoftheEMFsignal.converteLThroughexperimentstheEMFsignalconverterworkedasexpected.Atlastthethesisintroducedtheworkthatcouldbedonenext.Keyword:EMFACexcitationFPGAVHDL。disturbanceV独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:量哓勇日期:印口f二、硝学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。(如作者和导师同意网上交流请在下方签名:否则视为不同意。)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:签字日期东北大学硕士学位论支第章引言第章引言.研究背景从信息科学看检测技术是寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号以及确定二者间的定性定量关系并在一定条件下找出最合适表现形式以及最佳的采集、变换、处理、存贮等的方法、手段和相应设备。也就是要根据检测对象的特性和检测的具体问题合理设计、科学组建控制系统以正确使用各种检测工具、设备和检测方法正确地进行测量。随着社会信息化的发展作为检测对象信息特征的自动化检测仪表其重要作用日益显著它是流程工业乃至社会生活中的许多方面实现自动化的必要环节和技术工具各种算法和控制方案的实现都也必须依靠过程变量的准确获取。自动化检测仪表与控制理论一样不仅会推动工业企业的自动化水平也会影响控制理论的研究方向和内容。半个多世纪以来依托于微电子技术、计算机技术和网络技术的迅猛发展检测仪表从模拟式、电子式逐步向高精度、高可靠性、小型轻量化、数字化、智能化方向发展。随着生产力水平的发展生产过程对检测技术、检测工具、硷溅方法、检测理沦等提出的要求会越来越高。迄今为止检测技术在经历了几个重要历史时期的发展之后作为自动化科学的一个重要分支已经形成一门实用型、综合型的新兴边沿学科Ⅲ。信息化促进了自动化检测仪表的发展特别是近些年来流程工业现代集成制造系统(cIMs)的出现无论足从质量上还是从数量上都更加重视以过程状态量为中心的现场信息更好的测量仪表对流程工业生产过程的底层自动化产品质量和生产率的提高具有至关重要的作用。流量测量中各种物理原理是其理论基础流量测量的原理按物理学科可分为:力学原理、电学原理、声学原理、原子物理原理以及其它原理。其中应用伯努列定理的差压式、浮子式:应用流体振动原理的涡街式、旋进式应用流体阻力原理的靶式等等都属于力学原理。应用电学原理测量流量的有电磁式、电容式、电感式、电阻式等。应用声学原理测量流量的有超声式、声学式。应用原子物理原理测量流量的有核磁共振式、核辐射式等。其它原理热学原理、光学原理东北大学硕士学位论文第章引言等。各种测量原理的流量计中市场占有比率最大的是差压变送流量计然后是电磁流量计容积式流量计涡街流量计。近些年以电磁流量计、涡街流量计的发展较快。差压变送流量计的比率在不断下降。电磁流量计(EMF)是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。当导电流体在磁场中作切割磁力线方向运动时会感应产生一个其方向与磁场方向及流体流动方向相垂直的感应电动势其值与磁感应强度及流体运动速度成正比。电磁流量计由传感器和转换器两部分组成也可以做成一体式。电磁流量计有许多优良特性可以解决其它流量计不易应用的问题.如脏污流、腐蚀流的测量、年代电磁流量计在技术上有重大突破使它成为应用广泛的‘类流量计在流量仪表中其使用量不断上升。其主要的优点:.EMF的测量是通过一段无阻流检测件的光滑直管因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体。“”如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。.EMF不产生因检测流量所形成的压力损失仪表的阻力仅是同一长度管道的延程阻力节能效果显著对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为合适。.EMF所测得的体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某闽值上)明显变化的影响。.EMF测量范围度大通常为:~:可选流量范围宽。满度值液体流速可在.~m/s内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量不必取下作离线实流标定。.EMF的口径范围”。比其它品种流量仪表宽从几毫米到将近m。与其它大部分流量仪表相比前置直管段要求较低。.可测J下反双向流量”川。Ⅲ也可测脉动流量只要脉动频率低于激磁频率很多。仪表输出本质上是线性的。.易于选择与流体接触件材料品、可应用于腐蚀性流体。电磁流量计”。’“”“”(EMF)也有它的局限性如EMF不能测量电导率很低的液体(石油制品和有机溶剂等)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体通用EMF由于衬里材料和电气绝缘材料限制不能用于较高温度的液体。.电磁流量计的励磁技术人们丌始研究电磁流量计时最先想到使用的励磁磁场自然是直流磁场后东北大学硕士学位论文第章引言来又研究发展了正弦交流磁场、低频矩形波磁场、三值低频矩形波磁场以及双频矩形波磁场等技术。..直流励磁技术电磁流量计最初采用的是直流励磁技术它是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕阻供电以形成恒定的直流磁场。直流励磁技术具有方法简单可靠、受工频干扰影响很小、流体中的自感现象可以忽略不计等特点。但也存在如下问题:.最大的问题是直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极性引起被测流体介质电解而产生正负离子导致电极表面极化现象使感生的流量信号电势减弱电极I剞等效电阻增大同时出现电极极化电势漂移严重响信号处理部分的工作。.直流励磁在电磁阃产生不均衡的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中无法消除并随着时间的变化、流体体质特性以及流动状态变化。.直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好解决特别是在小流量测量时信号放大器的直流稳定度必须在几分之一微伏之内这样就限制了直流励磁技术的应用范围。目前直流励磁技术仅在原子能工业中用于电导率极高而又不产生极化效应的液态金属流量测量中。..工频正弦波励磁技术工频正弦波励磁技术是利用工频(Hz)电源给电磁流量传感器励磁绕阻供电其主要特点如下:.所产生的磁场为一正弦波交变磁场能够基本上消除电极表面的极化现象降低电极电化学电势的影响和传感器内阻。.流量信号仍然是工频正弦波信号易于放大处理能避免直流放大所存在的实际困难。值得注意的是工频正弦波励磁技术的采用会带来一系歹电磁干扰和噪声:首先是电磁感应产生『E交干扰(又称‘干扰)一般认为正交干扰是由“变压器效应”造成的。在电磁流量传感器中由于电极、引线、被测介质和电磁流东北走学硕士学位论文第章引言量传换器的输入电路构成的闭合回路处在一交变的磁场中所以即使被测介质不流动处于该交变磁场中的闭合回路也会产生感生电势el和感生电流显然这是一千扰电势。根据电磁感应原理由式()可知该干扰电动势与磁场对时间的变率的负值成正比。这就是『F交干扰信号电势它具有以下几个特点:.与流量无关即使流体静止不动这样的信号依然存在.在相位上比流量信号滞后‘故也称。干扰。励磁电流频率越高正交干扰也越严重实际应用中正交干扰信号可以远大于流量信号。所以如何克服正交干扰电势的影响是工频正弦波励磁技术的主要课题。其次是同相干扰即同时如现在传感器两个电极上频率和相位都与流量信号一致的干扰信号。一般认为是静电感应、绝缘电阻分压以及传感器管道上的杂散电流所引起。另外磁回路中铁损偏移了励磁电流与磁场间相位使原来在信号回路中变压器效应所形成的『F交噪声相移产生同相噪声励磁线圈与信号线之间以及励磁线圈与流体间还会产生静电感应噪声。电源波动工频正弦波供电电源存在电源电压和频率的波动造成对测量的影响。实际应用中虽然已采耿相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交抑制系统技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压但由于j卜交干扰信号电势往往有较大幅值自动『E交抑制系统等抗干扰措施不可能完全消除干扰信号从而导致电磁流量计零点“”。“的不稳定测量精度难以提高。这就是工频正弦波励磁方式对电磁流量计的限制使得电磁流量计的性能很难进一步提高。..低频矩形波励磁技术低频矩形波励磁技术是结合了直流励磁和交流励磁技术的优点同时避免了它们的缺点的一种励磁技术。世纪年代以来随着集成电路技术和同步采样技术的发展和实用化低频矩形波励磁技术应运而生在电磁流量计中得到广泛使用。它的励磁磁场频率通常为工频的偶数分之一(一般为/到/)。年代前期以单极性低频矩形波励磁技术为主后期以双极性低频矩形波励磁技术东北大学硕士学位论文第章引言为宅而丌始其工业应用”“。在半个周期内磁场是一恒稳的直流磁场它具有直流励磁技术受电磁干扰影响小不产生涡流效应、正交干扰和同相干扰小等特点从整个时间过程看矩形波信号又是一个交变信号具有正弦波励磁技术基本不产生极化现象便于放大和处理信号避免直流放大器零漂移、噪声、稳定性等问题的优点。所以低频矩波励磁技术具有良好的抗干扰性能在电磁流量计中已得到广泛应用。在低频矩形波励磁中由于励磁电流矩形波存在上升沿和下降沿在上升沿和下降沿处必然也存在『F交干扰(微分干扰)。其沿越陡微分干扰电势越大但很快就会消失形成一个很窄的尖峰脉冲:上升沿和下降沿变化越缓慢则微分干扰越小但经历时涮越长。如何消除上升沿和下降沿处的微分干扰是低频矩形波励磁技术要解决的主要问题之一。由于一般电磁流量传感器励磁绕阻中电感和电阻的比值LIR往往较小。随蓑励磁电流进入稳态微分干扰也很快能自动消失。所以为了排除微分干扰对流量信号的影响通常在励磁电流进入稳态的恒定阶段(即矩形波的平顶部分)后再对流量信号电压进行同步采样。这样微分干扰信号不能进入同步采样因此也不影响流量信号输出。此外同步采样脉冲相对工频来说是~宽脉冲并选择为工频周期或工频周期的整数倍这样即使流量信号中混有工频干扰信号因其采样时间为完整的工频周期其平均值为零工频干扰电压不起作用。另~方面由于励磁频率低涡电流很小静电耦合分布电容的影响很小所以由于静电感应丽产生的同相干扰也大为减小。综上所述低频矩形波励磁方式有以下几个优点:l。能避免正弦波交流磁场的正交于扰.基本消除由分布电容引起的工频干扰.能抑制交流磁场在管壁和流体内引起的涡电流.能消除直流磁场的极化现象。低频矩形波励磁技术的采用解决了长期困扰电磁流量计的电磁干扰大大提高了电磁流量计的零点稳定性和测量精度缩小传感器的体积降低励磁功率使转换器和传感器一体化提高电磁流量计的整体性能拓宽了电磁流量计的工业应用领域。东北大学硕士学位论文第章引言..三值低频矩形波励磁技术i值低频矩形波励磁技术是人们在总结低频矩形波励磁技术的基础上为了使仪表零点稳定而提出的一种励磁技术其最大的特点是实现在过零时动态校正零点因而具有更优良的零点稳定性”。二三值低频矩形波励磁方式的励磁电流一般采用工频的/频率通过正一零一负~零一正变化规律的三种状态进行采样和处理。其首要的特点是能在过零时动态校正零点有效地消除了流量信号的零位噪声从而大大提高了仪表零位的稳定性:其次它与低频矩形波励磁技术相同可以采用同步采样技术消除混在流量信号中的工频干扰信号:第三它可以通过一个周期内的四次采样值近似认为极化电势恒定利用微处理器的数值运算功能得以消除极化电势的影响。所以采用三值低频矩形波励磁技术的电磁流量计零点稳定抗工频干扰能力强测量精度进一步提高传感器单位流速的流量信号电压可降低到工频励磁方式时的/可进一步降低励磁功耗实现电磁流量计的小型轻量一体化在电磁流量计中已得到广泛应用”。..双频矩形波励磁技术三值低频矩形汉励磁方式具有优良的零点稳定性但在测量泥浆、纸浆等含纤维和固体颗粒的流体介质和低电导率流体流量时出现固体颗粒擦过电极表面而产生低频尖峰噪声和流体流动噪声这样往往导致励磁频率较低的三值励磁电磁流量计输出摆动不稳。三值低频矩形波励磁零点稳定但无法抑制低频噪声较高频率的矩形波磁场能消除低频噪声但一般其零点稳定性欠佳。人们在分析各种励磁技术的基础上提出了双频矩形波励磁技术。”。高频部分是Hz的矩形波外包络线是/工频的低频矩波。采用这种励磁方式可用高频波采样来消除含纤维和固体颗粒流体介质的低频噪声同时又保持了低频矩形波励磁零点稳定的优点取得了很好的应用效果。电磁流量计的发展趋势与进展电磁流量计自上世纪五十年代进入工业应用以来经历了直流励磁、工频交东北大学硕士学位论文第章引言流励磁、低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁、双频矩形波励磁等几个阶段。由于受早期电子技术的局限性有些励磁技术的优越性并没有得到充分的应用近年来随着电子技术、特别是微处理器相关产品的迅速应用也使得电磁流量计的性链得到很快的提高改进的双频励磁技术非满管电磁流量计的问世以及两线制低功耗电磁流量计的出现都证实了相关数字产品如高性能微处理器、DSP、FPGA等对电磁流量计产品设计影响。也使电磁流量计的应用范围不断拓宽。非满管电磁流量计应用于具有自由表面自然流的下水排放领域提高了该领域的测量精确度将传统非满管自然流或明渠流流量误差从%~%降低到%一%自年FischerPorter公司首家向市场推出非满管自然流电磁流量计以来到年还有爱知时计()、东芝()、Krohne()共四家向社会提供该类仪表““。测量更低电导率的液体:呵测量比传统电磁流量计电导率阈值低个数量级的液体以前不能测量的甘油、乙二醇等现在都能测量“。日立制作所于年首先提供可测量电导率不小于“s/cm的电容电极信号检出的电磁流量计。该类仪表的大面积电极不与被测液体接触紧贴在衬里外表面以电容耦合方式检m流量信号因此亦有称之无电极电磁流量计。除可测低电导率液体的特点外还因不会产生电极钝化等表面效应所形成的浆液噪声和流动噪声适用于测量浆液。低功耗和两线制电磁流量计发展较快”:低功耗电磁流量计使采用干电池或太阳能电池成为可能更方便地将电磁流量计用于无市电供电的场所。传统分体型电磁流量计中流量传感器和转换器间分别有两根励磁电流线和流量信号线分开传送称作四线制。二线制电磁流量计在流量传感器和转换器间只有两根信号线励磁电流则由~mA直流输出流量信号中零信号输出(即mA)供给。二线制电磁流量计早在年就由(日)爱知时计公司开发但应用并不普遍。这是由于励磁电流减小降低了流量信号信噪比劣化影响测量精度和稳定性等性能尚待提高。近年世界著名电磁流量计制造厂相继丌发二线制电磁流龟计投放市场其应用日益增长。年ABB已销售台约占其电磁流量计销售总台数的%到%。山武公司年月著文透露年预计可销售二线制电磁流量计台约占电磁流量汁销售台数的l/声称将成为世界第一位二线制电磁流量计供应商。东北大学硕士学位论文第l章引言二维电磁流速计和多测量点插入式电磁流量计:置于船体外部的船舶电磁航速仪是捅入式电磁流量计的雏形。后来插入式电磁流量计在大中型管道中有较大发展也有用于明渠称作电磁流速计(electromagneticcurrentmeter)。但在河道流或水利试验模型不仪要测量流速还要知道流速方向。二维电磁流速记又称向量流速计使电磁流量仪表族可以进入水文试验应用领域。此外插入式电磁流量计还参照均速管的设计思路存插入杆上置多套电磁流速测量单元提高测量精度使插入式电磁流是计在大管径应用领域处于有利地位。从电磁流量计的发展趋势我们看到电磁流量计原理性的理论已基本完善月前电磁流量计的研制也是以改进励磁方式、提高部分功能环节的性能以及数字化设计着手。丽对交流励磁技术的分析我们了解到其在含固态悬浮液的二相流测量中的良好表现确定电磁流量计以交流励磁方式。.现场可编程门阵列(FPGA)综述..现场可编程门阵列简介现场可编程"阵列是可编程逻辑器件的~种是新~代数字逻辑器件它具有丰富的可编程I/具有可在线编程、功能强、速度高、使用方便灵活的特点。可编程逻辑器件的出现改交了传统数字硬件系统的设计方法不仅可以简化设计过程而且可以降低整个系统的体积和成本增加系统的可靠性。可编程逻辑器件的出现给设计者提供了一种简便的工具去解决它的全部要求实现各种逻辑功能的逻辑系统。经过十多年的发展如今的FPGA已经有了很大的发展器件的集成度己达到千万门以上系统工作频率达到几百MHzFPGA内增添了许多新模块。具体来说有以下几个值得关注的点:.简化设计现场可编程门阵列为用户提供了用户自己可以定义的功能各芯片生产厂家以及第三方工具提供商都为开发人员提供了一系列适用于指定目标芯片的、完成特定功能的免费或收费软核开发工具支持多种编程语言并且允许各种开发语言协刚.作共同完成功能庞大的任务它可进行优化裁剪以适应任何应用的要求更有效地利用芯片极火地简化印刷电路板的设计因此使得整个项目设计过程都变得精简提高了效率。东北大学硕士学位论支第l章引言二维电磁流速计和多测量点插入式电磁流量计茕于船体外部的船舶电磁航速仪是插入式电磁流量计的雏形。后来插入式电磁流量计在大中型管道中有较大发展也有用于明柒称作电磁流速训(electromagneticcurrentmeter)。但在河道流或水利试验模型不仪耍测量流速还要知道流速方向。二维电磁流速记又称向量流速计.使电磁流昂仪表族可以进入水文试验应用领域。此外插入式电磁流量计还参照均速管的设计崽路在插入杆上置多套电磁流速测量单元提高测量精度使插入式电磁流是计在大管径应用领域处丁有利地位。从屯磁流量计的发展趋势我们看到电磁流量计原理性的理论己基本完善同酊电磁流量计的研制也是以改进励磁方式、提高部分功能环节的性能以及数字化设计着手。而对交流励磁技术的分析我们了解到其在含固态悬浮液的二相流洲量巾的良好表现确定电磁流量计以交流励磁方式。.现场可编程门阵列(FPGA)综述..现场可编程门阵列简介现场可编摇门i砗列是呵编程逻辑器件的一种是新代数字逻辑器件它具有丰言的可编程I/O具有可在线编程、功能强、速度高、使用方便灵活的特点。可编程逻辑器件的出现改变了传统数字硬件系统的设订方法不仅可以简化设计过程而且口J以降低整个系统的体积和成本增加系统的可靠性。可编程逻辑器件的出现给设亡者提供了一种简便的工具去解决它的全部要求实现各种逻辑功能的逻辑系统。经过十多年的发展如今的FPGA已经有了很大的发展器件的集成度己达到千万门以上系统工作频率达到几百MHzFPGA内增添了许多新模块。具体来隧有以F几个值得关注的点:.简化设计现场可编程门阵列为用户提供了用户自己可以定义的功能各芯片生产厂家以及第三方工具提供商都为升发人员提供了一系列适用于指定目标芯片的、完成特定功能的免费或收费软核开发工具支持多种编程语言并且允许各种开发语言协同r作共同完成功能庞大的任务它可进行优化裁剪以适应任何应用的要求更有效地利用芯片极人地简化印刷电路板的设计因此使得整个项目设计过程都变错精简提高了效率。程都变得精简提高了效率。东北大学硕士学位论文第章引言.增大功能密集度如今FPGA的器件集成度己达到上千万门以上能够实现所有数字逻辑、数字运算功能以自仃那种使用大量标准逻辑功能器件的时代已经一去不复返了对于一般应用一片相应规模的FPGA就能全部完成从而通用芯片的使用量大幅减少电路板的面积也大幅减小最终实现系统规模的全面缩减适应了小型化、高密度化的需求。.提高系统可靠性减少芯片和印刷电路板的数目缩小系统规模不仅降低了成本还极大地提高了系统的可靠性。因为印刷线路板上的互连线减少可能损坏或失效的芯片也相应减少使得系统有了一个运行环境而且还使得系统制造相对容易。这些都有助于获得较高的可靠性。.降低系统成本如今各FPGA厂家都推出低成本、高性能的FPGA系列产品一片FPGA能够实现的功能远远超过了与其价格相当的通用器件能够实现的功能。此外采用FPGA器件来实现系统设计因为需要的芯片数量减少了线路板尺寸减少了测试以及产品生产的工作量也减少了成品率增加了设计投入人力减少了可移植性增强了综E所述基于FPGA的系统能够有效地降低成本。因此以FPGA为代表的可编程逻辑器件受到了越来越多的设计者的欢迎在通信、数据处理、网络、仪器、,k控制、军事以及航空航天等很多领域全世界的主要设计者都在广泛的使用可编程逻辑器件。..低成本SpartanIIE系列FPGA简介Spartan.IE系列VFPGA为用户提供了丰富的逻辑资源、充足的引脚设置、广阔的使用范围而相划于如此高的性能芯片的价格却维持在一个相当低的范围。SpartanIIE系列FPGA共有五个型号逻辑门数最多的XCSE拥有个逻辑门支持最高MHZ时钟频率。SpartanliE系列FPGA拥有通用的、灵活的叮编程逻辑配置单元(CLBs)结构这些逻辑单元周围由输入/输出模块包围。Spartan。lIE系列FPGA拥有四个锁相环分布在器件的四个顶角。两排块RAM分布在芯片的两侧。这些功能单元由功能强大的通用的内部布线通道单元连接。具体结构图如图.所示:东北尢学硕士学位论文第章引言固唧脚酗嘲咖卿回罾厂口口口口口口口口口口口口口嚣副日髑田田圈熙蓐《屋d口口口口口口口口口口口口LJ嚣图.SpartamlIE系列FPGA基本结构Fig.)BasicSpaOanliEFamilyFPGABlockDiagramSpartanIIE系列FPGA功能实现是通过将配置数据调入到内部静态存储单元实现的。这一过程是可重复、无限制的。每次系统重新上电FPGA都会自动地将配置数掘调入到内部存储单元中。存储在这些单元中的存储值决定了FPGA的逻辑功能以及内部连接关系信息。配置数据可以从外部串行PROM中读取也可以采用主从式连接关系从主FPGA并行或串行方式写入到从FPGA中还可以采用边界扫描模式(JTAG)配旨数据。Xilimx公司推荐使用XilinxXClSA系列PROM、XClV可重编程系列PROM用于SpartanE系列FPGA的配置。与其它低成本FPOA系列项比较SpartanIIE系列FPGA有如下优点:更高的集成度更多的I/O口以及更高的性能.各种经济的封装中独特的引脚结构差动信号输入、低功耗并且支持更多的数据流外接上拉电阻最高能够允许V电压无外部上拉电阻最高允许V电压有PCILVrTL.LVCMOS输入buffer出VCCO供电丽非VCCINT供电基于E述原因又考虑到本系统具体资源需求量、芯片资源需求、芯片性价比等情况本系统中选用SpartanIIE系列的XCSE型号FPGA作为系统数字部分的核心模块。东北大学硕士学位论文第章引言.国内电磁流量计存在的问题近年来由于国内市场需求迅速增长涌现出数量庞大的电磁流量计供应厂商。但是和国外著名供应商相比国产品牌在产品性能和产品质量上都存在差距其中以高端电磁流量计更为严重国内市场几乎被国外品牌垄断。如何提高国产品牌的性能、提高产品集成度、减小工业自动化仪表体积、提高产品质量和合格率是整个行业急需解决的问题。本文的工作针对与上述问题本文开展如下工作:.查阅了大量的相关资料分析了目前励磁技术的原理确立了以交流励磁作为电磁流量计的励磁方式。。提出了以FPGA为数字电路处理核心、模拟滤波技术为基础的电磁流量计信号转换器的低成本方案以实现仪表的高级程度、高可靠性。.分析电磁流量计信号转换器硬件实现需要完成的功能提出了硬件系统架构。其中模拟部分采用仪用运放和可编程放大相结合的方法实现毫伏级信号的放大并加以模拟低通滤波器去除噪声干扰对信号带来的影响。.按照整体设计中需要FPGA实现的功能设计了FPGA芯片内部整体结构。芯片设计采用VHDL语言编程风格采用Gaisler二进程结构这种方式描述复杂逻辑事件优点是继承性扩展性强利于调试等。也是着眼于功能完善之后的批量低成本ASIC。.完成了电磁流量计信号转换器硬件系统的开发、调试。其中数据处理芯片采用Altium公司的Nanoboard开发板进行了功能分析、开发验证。硬件系统的运行取得了预期的效果文章末尾对下一步的工作进行了展望。东北大学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构第章电磁流量计整体结构.电磁流量计工作原理据法拉第电磁感应定律当导体横切磁场移动时在导体中感应出与速度成正比的电压电磁流量计就是按这条电磁感应定律求出流体的流速和流量的。在电磁流量计实际应用中导体就是导电液体当导电液体流过电磁流量计时导体中会产生感应电动势其感应电动势与导电液体的流速、磁感应强度、导体宽度(流量计内径)成正比”。以V(m/s)表示导电液体的流速柳表示导电液体流过的管子直径日r夥表示导电液体所处的磁场出表示感应电动势那么电磁流量计的应用原理图如图.所示。设图.基本原理Fig.、lBasicPrinciple在推导表述电磁流量计的原理和特征的基本方程式时先作以下几个基本假均流体的磁导率u均匀且同真空中是一样的。流体的电导率是均匀的各向同性的符合欧姆定律。根据该假设有j=盯仁十矿荟)(.)式中』为电流密度为电导率F为电场强度口为磁场强度y为流体速度东北大学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构(以上均为矢量)。电场£是基于流体内外存在着电荷而存在的量第二项鼢口是因磁场中流体运动引起的电磁感应。流体中的位移电流可以忽略。当角频率为。、流体的介电常数为r时若“}/o“l位移电流可以忽略。水或水溶液可满足这一条件。反之对于一一口的油类。较高所以位移屯流占主要地位。除了欧姆定律以外我们还以从麦克斯韦尔方程式为出发点即:吲面:一丝a吲耳:了丝。af(.)(.)div西=pdiv吾=tA)式中班E月为电通量密度P为电荷密度B=gEo式(.)右边的a毋台t如果是交流磁场可用相位差来判别如果是恒定磁场则可忽略。同时根据假设忽略其位移电流OD/Ot就得到:rotE=(.)rot茸=历(.)从式(.)可以判定存在着由式(.)定义的电位“三=一gradU当没有产生电流L的源点(电流源)时(.)东北大学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构到由式(.)和式(.)得由式(.)和式L.)得div|=(.)divediv(V百)=(.)VU=d/V(旷豆)=西otY一‰盾(.)磁场不会因流体中感应电流而受到影响所以式(.)的第二项为O得VU=BrotV()式(.)或式(.)为电磁量计的基本方程式。在适当的边界条件下根据给定的V和B间的空间分布就可求得流速矢量矿和电位【的相对应关系。假设就可由式(.)的基本方程式推导出求电动势的公式。管路的坐标是:在半径为a的圆管截面上象图.所示的那样取xy坐标轴。Y略。图.坐标轴取法Fig.CoordinatesDemonstration电极设在Y轴上的月阳a圳、Bf仉咱剀点上。电极面积小到可以忽仅考虑z轴方向的流动东北大学硕士学位论丈第章电磁流量计整体结构在x方向上加磁场假设Z方向七是一样的管壁为绝缘体流体均匀根据上述条件由于n=n=口屁=口。故可归结为二维问题VU一。可cv=By杀:讨论的问题为线性问题电位可以重合所以若将式(.)的格林函数取为占“.f目j则电位为:u=『『熊蝣水茜q钟砌。按照边界条件在管壁r二a时cU/Or=O或Nig=v:=时忒寺.r=(i十矿严若取电极A、目的电位差为e则对式(.)部分积分得式中e=UAU=u(oa)一u(o一口)=知。%Bv,d"邹。B。v,d跏)%=雨寒赫%而杀‰厂/。dfdq为在区域口的积分是在管路截面积上的面积分。式(.)表示在磁场为任意分布(在z方向上是均匀分布)而流速分布对于z方向亦是任意分布时所给予的电动势。w。、w。是加权函数它表示对电极电动势的贡献大小。在均匀磁场中流速轴对称分布的理想的情况下磁场强度仅有X分量所司咖=仉式(.)的第项为为简单起见以极坐标表示。查苎查兰翌主堂竺笙墨笙!主皇壁堕兰堡笙堡竺塑凼为f=.r'COS目=TsJn故e=三J。oB%(邶)B.v(咖一劬l(三)cos%堋五蔷丽l(二cos口(二)令(r/a)。=尼利用tRcos十R=(十R。)(Re。”)的关系对w。展开成分数再展开成无穷级数。%(r臼)=再鬲R面cojs万ir、互l再i矽再i万J=圭lRefO(R)ef#(一Rye月一Re一n日‘‘卜尺re一"l目小豇R玎华"=\‘/小喜(嘲“cos:”(.)按式(.)展开式对W.(r)中的e从到进行积分则该式第二项以下都为因为p%(ro)ao=丌所以由式(.)可得:平均流速为。:一Bfaov(rydrdo东北走学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构由上两式可得F=孑J。V(r炳咖=吾肼r:。e=Bga=Bgd(.)也就是说如果是轴对称流动则电动势与流速分布无关而正比于平均流速。并可得通过管道的体积流量:可得材一耐e吼丁”~一B()公式(.)是对直流磁场的描述对于交流磁场而言如果B=B。tsincotP=B。sincot可’d吼sina矿d(.).电磁流量计整体设计..一般电磁流量计的构成实际的EMF由流量传感器和信号转换器两大部分组成。如图.为分体电磁流量计一般情况下传感器和转换器是分体的传感器安装在生产过程工艺管道上感受流量信号转换器将传感器送来的流量信号进行放大并转换成标准电信号以便进行显示、记录、计算和调节控制。也有的电磁流量计将转换器和传感器装在一起组成一体型电磁流量计可就地显示和远程显示与控制。电磁流量计传感器主要由测量管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构几部分组成。为了使传感器稳定可靠地工作准确地感受流量信号传感器应满足如下要求。.能提供一个足够大的且与流量成正比的电势信号.能把干扰信号抑制到最小程度使信噪比足够大.能适应恶劣环境条件工作可靠。测量管组件测量管位于传感器中心两端带有连接法兰或其它形式的联结装【墨!!垄兰堡主兰堡垒墨堑!主量壁堕兰盐鳖堡竺塑置被测流体通过测量管。为了让磁力线能顺利地穿过测量管进入被测介质首先测量管必须由非导磁材料制其次为了减少电涡流测量管一般应选用高阻抗材料在满足强苛求的前提下管壁应尽量薄:第三为了防止电极上的流量信号被金属管壁所短路所以在测量管内侧应有一完整的绝缘衬里。衬里材料应根据被测介质选择有耐腐蚀耐磨损耐高温等性能的材料如聚四氟乙烯、耐酸橡胶等。图.一般电磁流量计构成Fig..NormalEMFConstitution..影响电磁流量计性能的因素.被测介质物理性能)被测介质电导率应用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的不能低于一定阈值。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用超过阙值即使变化也可以测量示值误差变化不大通用型EMF的阈值在(~)s/cm之间视型号不同。电磁流量计不能用于电导率。””更低的液体是因为传感器与变送器阻抗的匹配问题。变送器内阻与液体电导率的关系是一个反比例的关系例如对于圆盘形的东北大学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构电极来说如果电极的直径d相对于两电极间的距离D很小时则可以近似地认为变送器的内阻为:P=一口‘d(.)式中。为液体的电导率(s/cm)d为电极的直径(cm)。刺于电磁流量计来说变送器产生的感应电动势只有几mV,能否进行准确的测量还要取决于转换器的输入阻抗通常要求转换器的输入阻抗应远远大于变送器内阻才可以保证仪表的溅量精度。目前转换器的输入阻抗一般达到lo。~MO即要保证.%传输精度的传感器内阻必须小于~/(D。假设电极直径为lcm那么根据上式可得被测介质最低电导率为(.~)一s/m。故使用H寸还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至s/cm的液体。业用水及其水溶液的电导率火于~s/cm。酸、碱、盐液的电导率在~~iS/cm之间使用不存在问题低度蒸馏水为k/cm也不存在问题。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。实际测量的液体电导率最好要比仪表制造厂规定的阈值至少大一个数量级。因为制造厂仪表规范规定的下限值是在各种使用条件较好状态下测量的最低值。受到~些使用条件限制如电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等否则会出现输出晃动现象等。)被测介质粘度影响通常认为电磁流量计流量测量值不受液体粘度影响。但从现场实践经验来看结果正好是相反的。根据荷兰应用科学研究组织(TNO)和DSMResearch对家制造厂台EMF历时.年作的关于液体电导率、粘度、温度和环境温度影响的试验与常温水粘度流量相比较平均变化在O.%一.%之间。)被测介质温度影响当介质温度升高时离子的水化作用减弱溶液粘度也会减小。这样介质的电导率就会随介质温度的变化而变化。~般来说.随着介质温度的上升电导率也上升其大致的情况是介质温度升高一度电导率约增大.Ya。按照这种关系如果介质温度上升C时电导率就要提高一倍左右。同时由于变送器的内阻与被测介质电导率成反比关系。被测介质电导率愈低变送器的内阻就越大。因此介质温度上升变送器的内阻就变小它总是随被测介质电导率的东北大学硕士学位论文第章电磁流量计整体结构变化而变化。而为了保证测量精度在这种情况下就要求电磁流量转换器的输入阻抗必须大于变送器内阻许多倍才能保证在介质电导率在一定范围内变动时对测量精度不至于造成很大的影响。所以介质的温度的变化也是值得注意的。.被测介质的流动状态山流体力学可知液体在管道内流动时在管道横截面上各点的流速是不等的。通常管内流动呈层流或者紊流状态两者的速度分布虽不相同但只要经过一定距离的直管段轴

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