本實用新型設計一種基于FPGA的管道流體測溫裝置。

背景技術：

管道運輸在工業(yè)生產(chǎn)和能源運輸中扮演著重要角色，無法精確測量運輸管道的流體溫度會導致消耗大量的額外能源，為了減小能源消耗、保障油氣的安全輸送和相關設備的平穩(wěn)運行，必須對油氣的溫度進行嚴格監(jiān)控。

在管道運輸?shù)墓I(yè)現(xiàn)場中，常用溫度測量傳感器有以下三種：熱電偶TC、熱電阻RTD、熱敏電阻等三類，這三種測溫方法都不同程度地存在測量局限性。其中熱電偶測量范圍較寬，響應快，但是易腐蝕，誤差較大；熱電阻線性較好，但是靈敏度低；熱敏電阻的測量精度高、靈敏度高，但是受環(huán)境影響較大，測溫范圍小，線性較差。

超聲波管道測溫的方法與上述的三種方法相比，因具有響應快、無損耗、靈敏度高、不受管道輻射影響、測量范圍寬等特點，日益受到國內(nèi)外研究人員重視。超聲波的測溫是利用超聲波在同一介質(zhì)中的波速隨著介質(zhì)溫度變化而變化，超聲波聲速公式如下其中，c—聲波在介質(zhì)中的波速,m/s；γ—氣體絕熱系數(shù)定壓比熱容與定容比熱容比值；R—摩爾氣體常數(shù)，8.314；T—氣體溫度，K；m—氣體分子量，kg/mol。利用這個特性，只需測量超聲波的波速即可精確地測量工業(yè)現(xiàn)場管道中流體的瞬時溫度。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術存在的不足之處，本實用新型提供一種響應快、無損耗、靈敏度高、不受管道輻射影響、測量范圍寬的基于FPGA的管道流體測溫裝置。

本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種基于FPGA的管道流體測溫裝置，包括上位機、FPGA控制模塊、超聲波脈沖發(fā)送模塊、超聲波換能器、通道選擇模塊、信號采集模塊，所述的上位機連接FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊上分別連接超聲波脈沖發(fā)送模塊3、信號采集模塊，超聲波脈沖發(fā)送模塊、信號采集模塊連接通道選擇模塊，通道選擇模塊連接超聲波換能器。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：

1、本實用新型以FPGA為主控芯片，其高速穩(wěn)定的特性能夠?qū)崿F(xiàn)對每個敏感的時間節(jié)點進行精確地監(jiān)控，配合高速A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，采樣速率可達到百兆級，實現(xiàn)更加精確和快速的管道流體測溫；2、本實用新型采用數(shù)字方式產(chǎn)生正弦波，采用的數(shù)字方式是直接數(shù)字頻率合成技術DDS Direct Digital Synthesize，相較于傳統(tǒng)的模擬方式生成正弦波，DDS 功耗低、成本低、速度快、分辨率高的優(yōu)點；3、本實用新型采用是ISE軟件集成的IP核FIR Compiler v5.0，相較于模擬濾波器，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器能夠避免溫漂、電壓漂移、噪音等問題，從而提高了測量的精度；4、本實用新型用上位機分析處理數(shù)據(jù)，可進行多組測量和誤差修正，同時可進行不確定性和重復性分析，提高溫度測量精度和測量數(shù)據(jù)可靠性。

附圖說明

圖1為本實用新型監(jiān)測裝置的結構示意圖。

圖2為3.3V電源模塊。

圖3為2.5V電源模塊。

圖4為1.2V電源模塊。

圖5為串口通訊電路示意圖。

圖6為DDS輸出超聲波數(shù)字信號原理圖。

圖7為超聲波脈沖發(fā)送電路。

圖8為通道選擇電路。

圖9為高速模擬信號采集電路。

圖10為FIR數(shù)字濾波器結構示意圖。

圖11為超聲波回波信號過零點提取示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型進行更加詳細的說明。

如圖1所示，一種基于FPGA的管道流體測溫裝置，一種基于FPGA的管道流體測溫裝置，包括上位機1、FPGA控制模2、超聲波脈沖發(fā)送模塊3、超聲波換能器4、通道選擇模塊5、信號采集模塊6，所述的上位機1連接FPGA控制模塊2，F(xiàn)PGA控制模塊2上分別連接超聲波脈沖發(fā)送模塊3、信號采集模塊6，超聲波脈沖發(fā)送模塊3、信號采集模塊6連接通道選擇模塊5，通道選擇模塊5連接超聲波換能器4。

所述的FPGA控制模塊采用Xilinx公司開發(fā)的Spartan-3E系列的XC3S500E芯片，主要控制超聲波脈沖的發(fā)送、模擬信號的采集以及控制上位機與下位機的通信；超聲波換能器用于發(fā)射和接收脈沖信號；超聲波脈沖發(fā)送電路包括Intersil公司生產(chǎn)的ISL5961 D/A轉(zhuǎn)換芯片、電壓反饋放大器THS4271芯片，ISL5961芯片將FPGA控制輸出的一組正弦波數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，再通過THS4271芯片放大ISL5961芯片輸出的模擬信號，是超聲波探頭發(fā)射出一組正弦波脈沖；通道選擇電路包括CD4052B芯片，控制超聲波的傳播方向；高速模擬信號采集電路包括AD6645芯片，對超聲波回波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；上位機用 LabVIEW設計，用于對下位機發(fā)送控制指令，并對下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分析計算。

首先給測溫裝置供電，電源模塊如圖2、圖3、圖4所示；FPGA控制模塊中的2-1串口通訊電路圖如圖5所示，使上位機與下位機通訊；圖6為ISE軟件集成的IP核2-2DDS Compiler和2-3Block Memory Generator使用直接數(shù)字頻率合成技術輸出正弦波數(shù)字信號的示意圖；為使超聲波換能器發(fā)射正弦波信號，需將DDS生成的正弦波數(shù)信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，3超聲波脈沖發(fā)送模塊如圖7所示的高頻數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，其中ISL5961芯片為高頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；通道選擇模塊控制超聲波換能器脈沖信號的發(fā)射和接收，與圖7所示的模擬信號輸出端相連，如圖8所示；為采集超聲波脈沖信號的回波信號，需將回波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理，高速模擬信號采集模塊如圖9所示，與接收脈沖信號的超聲波探頭一端相連；2-3Fir Compiler是對超聲波回波信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路生成的數(shù)字波形進行數(shù)字濾波，避免干擾信號對測量結果的影響，F(xiàn)ir Compiler結構如圖10所示，主要使用加法器、乘法器和存儲資源；2-5為數(shù)據(jù)存儲和算法分析模塊，數(shù)據(jù)存儲是對回波信號的數(shù)字波形進行存儲，算法分析及對回撥信號進行過零點提取，如圖11所示，當發(fā)射的超聲波脈沖信號的最后一個正弦波到達換能器，會出現(xiàn)一個波峰，提取這個特征波的零點T1即為超聲波傳播時間。

上述裝置的使用方法主要包括以下步驟：

1首先在需要測溫的管道兩端放置兩個正對的超聲波換能器，測量兩個探頭之間的距離L，給測溫裝置通電；

2上位機通過串口通訊給下位機發(fā)送指令，控制下位機執(zhí)行命令；

3 FPGA控制模塊控制DDS輸出正弦波數(shù)字信號，在輸出最后一個正弦波信號時開始計時；

4超聲波脈沖發(fā)送電路將DDS輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，經(jīng)通道選擇電路控制其中一個超聲波換能器發(fā)射正弦波脈沖信號；

5高速模擬信號采集電路將超聲波回波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過FIR數(shù)字濾波器消除干擾信號的影響；

6對經(jīng)數(shù)字濾波的回波信號進行算法分析，過零點提取得到超聲波傳播時間T1；

7將傳播時間T1經(jīng)串口通訊上傳到上位機，通過上位機進行分析處理、誤差修正，實時顯示管道流體溫度，并對測量結果生成報表。