[an error occurred while processing this directive] [an error occurred while processing this directive]
|
Техническая справка
О возможности создания расходомеров для измерения расхода жидкостей на основе модуля МАП-01
Р.А.Шигапов
1. Введение.
Применение цифровой обработки при измерениях различных величин является одной из самых распространенных операций используемой в современных измерительных приборах.
Это обусловлено тем, что цифровая обработка позволяет расширить динамические диапазоны представления измеряемых величин, уменьшить влияние сложности алгоритма измерения на точность конечного результата, применять сложные алгоритмы обработки с целью повышения точности измерения.
Например, известно, что сигнал с выхода цифрового фильтра имеет более высокий динамический диапазон чем на входе.
Также важным фактором для точности измерений является отсутствие помех при обработке цифрового сигнала.
В некоторых случаях цифровая обработка обеспечивает повышение точности измерений, которое невозможно реализовать в аналоговом исполнении для практического использования.
Например, в ультразвуковом расходомере с использованием фазового детектора необходим умножитель.
Операция перемножения цифровых данных может быть произведена с любой необходимой точностью.
Реализация такого решения в аналоговом виде может быть выполнена с точностью до 0.1 - 0.2 % , что не подходит для построения высокоточных измерителей расхода жидкости.
Для проведения измерений в реальном масштабе времени, связанных с цифровой обработкой, необходимы специальные процессоры или модули имеющие высокое быстродействие, достаточную память и возможности для ввода и вывода аналоговых сигналов.
Модули серии МАП специально предназначены для обработки как аналоговых так и цифровых сигналов в реальном масштабе времени.
2. Основные принципы измерения расхода жидкостей
Существуют много различных типов измерителей расхода жидкостей, использующих самые различные принципы измерений.
В данной справке рассматриваются возможности цифровой обработки с использованием модуля МАП-01 для измерителей расхода жидкостей, основанных на измерении абсолютных и/или относительных временных интервалов.
Например, ультразвуковые измерители расхода жидкостей могут использовать принципы измерения фазы ультразву6кового измерительного сигнала, прошедшего через движущуюся жидкость. Чем больше скорость движения жидкости, тем больше сдвиг фазы измерительного сигнала, т.к. к скорости звука в жидкости добавляется скорость движения жидкости. Интеграл от скорости движения жидкости прямо пропорционален расходу жидкости через сечение трубопровода.
Существующие ультразвуковые измерители расхода жидкостей используют принцип измерения времени распространения ультразвукового единичного импульса через движущуюся жидкость. При этом измерение осуществляется путем подсчета счетных импульсов за интервал времени формируемый от срабатывания аналогового компаратора.
Недостатки таких измерителей следующие:
- ограничение точности фиксации временного интервала вследствии погрешностей компаратора и помех;
- ограничение точности фиксации временного интервала периодом счетных импульсов;
- необходимость сложной и периодической настройки расходомера из-за неопределенности срабатывания компаратора при колебаниях уровня измерительного сигнала;
- для повышения точности приходится увеличивать размеры расходомера ( увеличивая путь распространения ультразвука ).
Можно создать ультразвуковой измеритель расхода жидкости на основе модуля МАП-01, использующий принцип измерения временного интервала путем распространения специального пакета сигнала, содержащего также и синусоидальный.
При этом пакет должен содержать специальный сигнал начала пакета, например, шумоподобный сигнал, с тем чтобы определить начало пакета с точностью меньшей чем период гармонического колебания.
В этом случае определяется время распространения пакета с дискретностью равной длине волны гармонического колебания, а затем к этому времени добавляется время соответствующее фазе пришедшего гармонического колебания.
Таким образом имеется возможность многократно повысить точность измерения за счет вычисления фазы приходящего сигнала.
Общее время “T” будет равно:
T = t + / 2 ,
где: t - величина времени распространения пакета, дискретизированная величиной периода гармонического колебания, - период гармонического колебания, - фазовый угол гармонической части пришедшего пакета.
Из вышеизложенного видно, что для построения высокоточного ультразвукового измерителя расхода жидкости, необходимо точно измерять фазу синусоидальных колебаний.
Для точного измерения фазы необходимо иметь высококачественный гармонический (синусоидальный) сигнал, который практически может быть получен только с использованием цифрового синтеза.
3. Оценка параметров модуля МАП-01 для построения измерителя расхода жидкостей.
Модуль МАП-01 имеет быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный к сигнальному процессору ADSP-2181. Модуль допускает возможность установки микросхемы ЦАП разрядностью от 8 до 14 бит, в зависимости от требований по точности и цене.
Для измерителя расхода жидкостей синтез высококачественного сигнала синуса может быть произведен сигнальным процессором модуля с выводом цифровых отсчетов на ЦАП. При этом максимальная частота вывода 14-битных цифровых отсчетов может быть 16 мГц, что позволяет получать синусоидальный сигнал с частотой 2-4 мГц и ниже.
Модуль МАП-01 может быть использован также для синтеза сигналов любой сложной формы.
Для ввода приходящего аналогового сигнала измерителя модуль имеет быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) разрядностью 10 бит и с максимальной частотой оцифровки также 16 мГц.
Для записи и хранения принятых цифровых данных от ЦАП процессор модуля имеет оперативную память данных 16 k слов разрядностью 16 бит, и оперативную память программ 16 k слов по 24 бита, которую также можно использовать для хранения как программ так и данных.
Например, оперативная память процессора модуля позволяет хранить двадцать цифровых сигналов, состоящих из 1000 отсчетов каждый, или два цифровых сигнала длиной по 10000 - 12000 отсчетов каждый.
Это является более чем достаточным для синтеза сигналов и измерения фазы в измерителях.
Модуль МАП-01 имеет высокоточный порт ввода-вывода разрядностью 16 бит и максимальной частотой преобразования 64 кГц. Этот порт может быть использован для синтеза и измерений синусоидального сигнала с частотой до 20 - 25 кГц. Эти частоты также могут быть использованы для измерения расхода жидкостей.
Также модуль имеет энергонезависимую, перепрограммируемую флэш-память для хранения программ и данных. Емкость этой памяти 512 kbyte , что достаточно не только для хранения программ, но и подстроечных данных прибора, различных коэффициентов, например, корректировочных таблиц нелинейности измерителя.
При модификации или смене программного обеспечения измерителя нет необходимости в использовании новой микросхемы, достаточно перепрограммировать имеющуюся флэш-память. Причем без использования программатора.
Печатная плата модуля МАП-01 имеет четыре слоя, два из которых для питания, специально выполнены сплошными полигонами с целью уменьшения собственных и экранизации внешних помех, что также способствует точности измерений входных напряжений.
Для измерения временных интервалов процессор имеет 16-битный таймер с 16-битным предделителем, с помощью которого можно измерять и генерировать временные интервалы в широком диапазоне времени. Максимальная частота счета таймера 33 мГц.
Быстродействие процессора ADSP-2181 модуля МАП-01 составляет 33 млн.оп / сек и соответственно цикл процессора 30 нс. Все команды процессора исполняются за один цикл. Для реализации одной из вышерассмотренных математических формул может потребоваться около 4000 циклов процессора, что составит по времени около 120 мкс - период частоты 8333 кГц. Эта частота выдачи данных может быть достаточной для очень широкого спектра измерителей.
Для реализации цифровых фильтров, можно использовать операцию свертки, что характеризуется большим объемом необходимых вычислений.
Для ускорения таких операций процессор модуля имеет аппаратную поддержку, реализуемую при помощи многофункциональных команд с одновременными вычислением и выборкой данных из памяти программ и памяти данных. При этом затраты на обработку одного отсчета сигнала составляют один цикл процессора - 30 нс. А аккумулятор умножителя-накопителя имеет разрядность 40 бит, что позволяет не терять результат вычислений даже при переполнениях.
Модуль имеет программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), которая может быть использована для организации внешнего цифрового интерфейса или для иных любых целей, например, для реализации схем управления шаговыми двигателями.
Модули серии МАП-01 могут соединяться между собой с целью построения систем измерений и управления.
4. Оценка цифровой чувствительности измерителей расхода жидкостей при применении модуля МАП-01.
В данной справке под определением цифровая чувствительность понимается временной интервал, соответствующий младшему биту диапазона значащих бит представления измеренной величины.
Данная оценка является приблизительной и учитывает только те основные факторы, связанные с цифровой обработкой и ее возможностями.
Оценки влияний конструкции, шумов кварцевого генератора, нелинейностей трактов прохождения сигналов и т.д. и т.п. являются темой серьезных исследований и в данной справке не рассматриваются.
Предположим, что для ультразвукового измерителя расхода жидкостей используется
синусоидальный сигнал от модуля МАП-01 частотой 250 кГц.
Для измерения времени распространения звука можно использовать сигнал состоящий из 12 периодов синуса. Учитывая, что модуль МАП-01 может выдавать отсчеты сигнала синуса с частотой 16 мГц получим 64 отсчета на один период. И 800 отсчетов на весь пакет синуса.
Таким образом для вычисления фазы приходящего сигнала можно использовать 800 отсчетов сигнала.
Предполагая, что средняя амплитуда сигнала около 0.25 от общего диапазона ввода от АЦП можно определить примерный диапазон значащих бит, получающихся при обработке приходящего сигнала.
2 в степени 9.7 составляет около 800, и с учетом 2 бита скидки на среднюю амплитуду получаем + 7.7 значащих бита дополнительно к разрядности быстродействующего АЦП ввода, которая в модуле МАП-01 составляет 10 бит.
И таким образом общая разрядность значащих бит содержащих информацию о фазе сигнала составляет 17.7 бит , что соответствует динамическому диапазону около 200000 раз.
Чтобы не потерять значащие биты, вычисления необходимо производить с точностью не хуже 18 бит, например, используя 32-битные слова для данных и соответствующие им подпрограммы вычисления функций. Процессор модуля МАП-01 имеет для этого достаточные аппаратные возможности.
Предполагая, что при вычислениях диапазон значащих бит изменяется незначительно, определим примерную цифровую чувствительность ультразвукового измерителя расхода жидкостей на основе модуля МАП-01.
Период частоты 250 кГц составляет 4 мкс. Разделив период на динамический диапазон (200000) получим 20 пс - цифровая чувствительность по времени, что соответствует частоте счетных импульсов 50 гГц при применении традиционных методов. Таким образом видно, что при применении модуля МАП-01 можно измерить временной интервал с дискретом 20 пикосекунд.
Реализация такого измерителя на традиционных счетчиках и компараторах не представляется возможным.
5. Выводы.
На основе модулей МАП-01 можно построить ультразвуковые измерители расхода жидкостей с цифровой чувствительностью по времени 20 пикосекунд.
Опытный образец ультразвукового измерителя расхода жидкости на основе модуля МАП-01 может быть построен за 8 месяцев (без сертификации) .
Подробнее отвечу на письмо.
E-mail: 
info@telesys.ru
