摘 要：厦门宏控针对现有的LNG质量流量计硬件结构较为复杂、测量精度也比较低的现状，采用FPGA器件去控制AD采样，改进了传统的LNG质量流量计的数字系统部分的设计。实验结果表明，文中所设计的应用FPGA的LNG质量流量计较以往类似的质量流量计测量精度有很大提高，测量单元与数据采集、数据处理单元相分离的设计方式使得硬件结构也得到了简化。

关键字：质量流量计 液化天然气 现场可编程逻辑门阵列 双缓冲

0 引言

文中利用FPGA器件开发研制了新一代U形双管式的LNG科氏质量流量计，它可以检测流体的流速、密度、流量、温度等指标，与现在普遍使用的LNG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。文中主要介绍了应用FPGA技术的新型LNG流量计的系统工作原理，数字系统的设计、实现及在研发过程中涉及到的关键技术问题，最后给出了实际应用结果，证明系统在精度上较以往类似设备有较大提高。

1 系统工作原理

如图1所示，两根检测管在电磁激励器的激励下，以其固有频率振动，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2个检测管，而使U形管发生扭转，其扭转程度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。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，得到流体密度、流速、温度及累计流量等数据。利用FPGA器件，实现了信号提取、数据存储、数据处理、数据显示以及数据通信等功能，与现有的同类的LNG质量流量计相比减小了硬件规模。

图1 U形检测管受力模型

2 数字部分系统设计原理

数字系统框图如图2所示，按照不同的功能可以分为4个模块，包括数据采集模块、数据存储与处理模块、数据传输模块以及控制模块。每个模块都包含不同的任务，其中数据采集模块负责对流量信息进行采集，数据存储与数据处理模块负责对采集到的信息进行初步计算，这2个模块都由FPGA器件实现，减小了硬件规模。数据传输模块通过CAN总线与上位机通信进行数据传输。控制模块完成对上述3个模块的控制，使各个模块能够稳定有效的工作。

2.1 数据采集模块

数据采集模块采用FPGA器件实现，FPGA器件选用的是ALTERACYCLONEIV系列的EP4CE6E22C8。由检测管产生的两路有相位差的正弦信号通过模拟电路部分的处理，生成2路同周期、有相位差的方波信号送给数据采集模块进行数字化采样后存储于FPGA构建的FIFO中。

图2 数字系统框图

2.2 数据存储与处理模块

数据采集模块采集到的数据信息首先存储到FIFO中，采用的是一个开源的IPcore来实现FIFO的功能，IPcore是集成电路行业中知识产权核心，通俗点说就是可复用的设计模块，经过广大用户验证，功能比较稳定。FIFO有两种模式：一种是SCFIFO，这种FIFO是指读写用一个时钟进行同步，可以支持同时读写的功能；另一种是DCFIFO，它是指读写使用不同的时钟进行同步，这在设计多时钟系统中相当有用，可用于不同时钟同步信号之间的同步调整。文中选用的是DCFIFO，在这种模式下的读写端的重要信号如表1所示。

表1 DCFIFO读写端信号

2.3 数据传输模块

系统中，数据传输采用的是CAN总线，当数据存储模块（DCFIFO）半满标志被置位的时候就会触发1次CAN总线通信任务，把测得的流量信息、运行状态传递给控制模块，控制模块把收到的数据存储到外扩的缓存中等待监控人员把数据信息取走，同时通过CAN现场总线传递新的控制命令给数据采集模块继续完成测量。数据参数流程图如图4所示。

图3 测量单元任务流程图

图4 AD采样芯片原理图

2.4 控制模块

系统中，数据传输采用的是CAN总线，当数据存储模块（DCFIFO）半满标志被置位的时候就会触发1次中断，在中断服务程序中执行CAN总线通信任务，把测得的流量信息、运行状态传递给控制模块，控制模块在接收到中断信号后就启动CAN总线通信，开始接收流量信息等，接收完毕后中断返回，继续等待下一次中断的来临。

3 数字系统设计中的几个关键问题

3.1 数字系统的缓存机制

系统中，为了避免测量数据的丢失或者溢出，采用了双缓冲机制。在FPGA器件上构建一个FIFO作为第一层缓冲池，

当FIFO半满标志置位的时候触发中断，开始将数据传输给主控制器，主控制器自带的片上RAM将作为第二层缓冲池，给主控制器足够的时间去处理收到的测量数据。实现这样的缓存机制的关键在于存数与取数的速度要尽可能一致，如果系统测量的数据快速的将FIFO填满，而主控制器还没来得及去取数，仍然会造成测量数据的丢失。双缓存机制给了系统一定的活动空间，允许存数和取数之间存在一定的时间差，这个时间差事由AD采样的频率，量化位数和构建的FIFO的容量决定的。

3.2 AD采集

在流量测量系统中，AD采样是数据采集的核心器件，AD器件的选取直接决定着流量测量的精度。系统中，要实现对传感器输出的流体密度、流速、温度及累计流量的测量，由于流量测量对测量精度有很高的要求，所以在选择AD器件的时候要选择分辨率以及采样频率都比较高的。综合各项因素，最后选择了ADI的AD7654作为AD采集芯片，如图4所示，工作模式选择normalmode，采样频率为500ksps，量化位数为16bit，支持2个通道同时采样。

4 实际运行结果

实际应用中，通过现场测量得到一组测量数据，与真实流量进行对比，测量介质选用液化天然气，测前零点0.111，传感器型号为NH010，传感器编号13－2，变送器编号DS，选取任意5组数据如表2所示。通过对这5组数据的分析处理可以得出LNG流量计的重复性不高于0.10%，大部分流量点检测的相对误差绝对值都在0.1%。以内，较以往的LNG流量计测量精度有较大提高。

表2 HK-CMF型流量计检验结果

5 结束语

设计实现的LNG质量流量计在数字部分采用了FPGA器件控制AD采样，简化了硬件设计，从而减小了仪器的体积，减小了仪器的功耗，同时也提高了流量测量的精度。模块化的设计方式使得仪器运行更加稳定可靠，也为以后产品升级改造提供了方便。实验和现场使用结果表明，该仪器在精度、可靠性、功耗、稳定性等方面都优于以前的同类仪器。

质量流量计选型三要素：流量计通径（口径）、温度、压力、流量要求

根据管道公称直径，产品规格可分为：DN1、DN2、DN3、DN6、DN10、DN15、DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150（单位：mm）十二种。

科里奥利质量流量计适于所有的液体和气体。过程条件或温度、密度、压力、粘度、电导率和流体状态分布等过程参数发生变化时，不会影响测量结果。质量流量计易于安装，且具备高的精度和宽的量程比，这些特点对于许多应用领域是非常重要的。