天然氣體積修正儀數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
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天然氣在輸送、分配和使用過程中，需要對天然氣的輸送量、分配量和用戶用量進(jìn)行計(jì)量。在天然氣流量的實(shí)用計(jì)量中，通常用某一段時(shí)間間隔內(nèi)通過天然氣管道輸送的天然氣總量來表示，即天然氣的體積總量。天然氣總量的計(jì)量對象類型很多，氣源售出計(jì)量、城市購入計(jì)量、區(qū)域供氣計(jì)量和用戶用氣計(jì)量等。目前國內(nèi)天然氣大都使用體積計(jì)量的方法，但由于天然氣在不同的溫度和壓力下，氣體體積有較為明顯的變化，采用簡單的體積計(jì)量，明顯不符合公平交易的原則。如何將工況下的天然氣體積通過溫度、壓力和壓縮系數(shù)進(jìn)行修正，從而得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，是保證天然氣貿(mào)易結(jié)算公平的關(guān)鍵所在。信息技術(shù)的不斷發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)量系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用將會提高天然氣的計(jì)量精度，加快測量數(shù)據(jù)的傳遞速度。
1 儀表總體設(shè)計(jì)
天然氣體積修正儀主要完成天然氣流量的自動修正，適于安裝在工廠、住宅等環(huán)境，實(shí)時(shí)反映天然氣的流量計(jì)量情況，并可與上位機(jī)進(jìn)行通信，為上位機(jī)管理軟件提供數(shù)據(jù)支持。
體積修正儀通過壓力傳感器和溫度傳感器采集壓力和溫度信息，結(jié)合氣體流量計(jì)采集的流量脈沖信號進(jìn)行天然氣流量的自動修正，并通過RS232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳送。圖1是體積修正儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
天然氣體積修正儀根據(jù)功能設(shè)計(jì)如下5個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、體積修正模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊以及與上位機(jī)通信模塊。幾個(gè)功能模塊采用低功耗FPGA器件，以Nios Ⅱ嵌入式處理器為核心，利用SoPC技術(shù)完成嵌入式開發(fā)。
2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
在天然氣體積修正儀設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集模塊是保證測量和計(jì)算精度的首要模塊。分為輸入檢測和數(shù)據(jù)處理兩部分。
2.1 輸入檢測
天然氣體積修正儀前端測量中涉及2個(gè)模擬量：溫度和壓力信號。根據(jù)溫度和壓力值可計(jì)算出天然氣的壓縮因子，從而校正天然氣的體積。
2.1.1 溫度檢測
照顧到民用和商用的范圍，設(shè)計(jì)采用Pt100陶瓷高性能鉑熱電阻溫度計(jì)作為測溫元件，鉑在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)氣體溫度范圍為：-30 ℃～70 ℃。經(jīng)放大電路放大后電壓變化范圍在0V～4.5 V之間。
2.1.2 壓力檢測
由于工作壓力范圍為0～10 MPa，經(jīng)過選型，采用CGYL-202壓力變送器，其三線制輸出電壓范圍為0 V～5 V，配合溫度信號，方便后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換。壓力變送器采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，精度也較高。且具有本安防爆認(rèn)證，防震性能好。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理[2]
經(jīng)采集的溫度壓力信號在參與壓縮因子計(jì)算前必須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本設(shè)計(jì)采用12位4通道、高速低功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7864。AD7864是美國ADI公司生產(chǎn)的逐次逼近式并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)由12位ADC、時(shí)鐘電路、5 V高精度參考電壓源和比較器組成，無需任何外部電路即可完成整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的過程。該轉(zhuǎn)換器自身帶有4路采樣/保持電路，可同時(shí)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，這樣就節(jié)省了系統(tǒng)的硬件電路空間。該器件最快轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)1.65μs，信號輸入范圍可為0 V～5 V、±5 V或±10 V。
AD7864的控制狀態(tài)引腳主要有：
(1)轉(zhuǎn)換啟動信號CONVST，下降沿觸發(fā)一次四通道轉(zhuǎn)換；
(2)工作狀態(tài)忙信號輸出BUSY，高為忙；
(3)讀轉(zhuǎn)換結(jié)果控制信號RD，低電平有效；
(4)片選信號CS，低電平有效；
(5)轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出信號EOC，低電平有效；
(6)通道選擇信號線SL1～SL4；
(7)硬件/軟件通道選擇方式H/S SEL；
(8)第1個(gè)數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)信號FRSTDATA，第1通道轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)據(jù)可讀觸發(fā)為高，第2通道轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)榈汀?br />本系統(tǒng)采用EP1C12Q240型FPGA，其足夠的引腳資源完全能夠滿足需求。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊總體設(shè)計(jì)
為了讓CPU專注于處理其他任務(wù)，專門在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)A/D硬件控制器，負(fù)責(zé)對A/D的采樣控制，并將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。該控制器還可以根據(jù)CPU的輸出控制字改變采樣的頻率。
頻譜分析的誤差很大程度來自采樣窗口和實(shí)際波形的同步不嚴(yán)格，造成頻譜泄漏。為消除頻譜泄漏引起的誤差，常用的方法有硬件同步和加窗處理。硬件同步的方法比較多，常用的主要有使用PLL電路進(jìn)行同步。因此，按照GB/T14549-1993要求，用FPGA內(nèi)部高精度的PLL產(chǎn)生采樣時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣，以保證窗口間無重疊和間隔，并能嚴(yán)格與被測信號頻率同步。
在本模塊中，所有時(shí)序控制均由FPGA完成，采用VHDL語言對FPGA進(jìn)行配置，配置后的硬件功能包括對A/D轉(zhuǎn)換器的控制、12位并行數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的濾波。
設(shè)計(jì)2個(gè)控制器完成上述功能：A/D控制器和濾波器。A/D控制器用來控制A/D時(shí)序，完成A/D轉(zhuǎn)換功能。濾波模塊完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。設(shè)計(jì)模塊圖如圖2所示。
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