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PILZ皮爾茲流量計變送器的研制
由于流量計可以直接進行高精度測量質量流量,同時不受溫度、密度等因素的影響,被廣泛地應用在如化工、石油、熱電等領域。目前,流量計的研制成為國內流量檢測研究的熱點,和國外相比還有一定的差距。因此,PILZ流量計變送器的研制,對國產流量計的研發和技術進步具有重要意義。

PILZ皮爾茲流量計變送器的研制
在PILZ流量計變送器的設計中,基于FPGA(EP3C40Q240C8N)處理器實現傳感器的激勵、數字信號處理及流量計算；基于Cortex-ARM架構的STM32F407微處理器實現人機界面的顯示與控制,以及4-20mA電流、脈沖和基于Modbus協議的RS-485總線三種形式的流量數據輸出。使用C#語言在Visual Studio 2013環境下開發了基于Modbus協議的上位機監控通訊程序。相位差的測量決定著流量計的測量精度。流量計是利用科里奧利原理實現的一種高精度、低機械損耗的直接式質量流量計,變送器是CMF重要的組成部分。對CMF理論體系進行了系統的研究,闡述了科里奧利力的物理意義及其在質量流量計設計中的應用,進而分析了CMF一次儀表的結構和工作過程。然后根據功能要求提出設計原則,并以此指導后續工作。設計了基于CMF工作原理和上述原則的實現機制,并通過仿真和實驗相結合對電路細節進行詳盡研究。模擬電路主要實現了由物理閉環和增益控制閉環構成的驅動系統,以及對一次儀表輸出信號進行預處理的信號預處理系統。驅動系統輸出信號驅動一次儀表上的線圈工作,模擬了科里奧利力的產生條件。驅動設計的難點在于必須保持激振信號幅度在合適的范圍內,過大過小都不能驅動一次儀表正常工作。zui終利用場效應管的VGS—RDS壓阻特性解決了該難題。信號預處理系統對原始的相位信號和溫度信號進行預處理,使之適合數字電路作進一步的處理。兩路相位信號(來自一次儀表的左右傳感器)的處理電路*一樣,此外還必須引出相位超前的第三路相位信號,其作用在于提醒MCU相位信號即將到達。信號預處理系統還包括溫度信號提取電路,通過鉑熱敏電阻實現對溫度信號的提取,采用了三線制恒流源測量法。在正式進入數字電路設計之前,先討論了相位差測量方法,并選定雙向過零鑒相作為實現方案。數字電路主要實現了相位差檢測和質量流量信息的zui終輸出。基于雙向過零檢測原理,數字電路包括過零點檢測模塊、計數器模塊和MCU模塊。過零點檢測模塊提取了兩路相位信號的過零點信息,計數器模塊對過零點之間的長度計數,計數結果供MCU調用,MCU模塊主要包括MCU芯片及其供電網絡和工作頻率設置電路,協調各個模塊的工作,并對各個模塊的輸出進行處理,zui終得到質量信息。

PILZ皮爾茲流量計變送器的研制
提出了基于線性插值和互相關計算相結合的相位差計算方法,通過二進極值搜索,實現對相位差的快速精確測量。該方法大大減少了計算量,提高了流量測量的實時性。仿真實驗結果表明該方法具有較高的測量精度和實時性。實驗測試結果表明,全數字PILZ流量計變送器工作穩定可靠。在量程比18：1條件下,測量精度優于千分之一。