基于FPGA的管道流体测温装置的制作方法

本实用新型设计一种基于FPGA的管道流体测温装置。

背景技术：

管道运输在工业生产和能源运输中扮演着重要角色，无法精确测量运输管道的流体温度会导致消耗大量的额外能源，为了减小能源消耗、保障油气的安全输送和相关设备的平稳运行，必须对油气的温度进行严格监控。

在管道运输的工业现场中，常用温度测量传感器有以下三种：热电偶TC、热电阻RTD、热敏电阻等三类，这三种测温方法都不同程度地存在测量局限性。其中热电偶测量范围较宽，响应快，但是易腐蚀，误差较大；热电阻线性较好，但是灵敏度低；热敏电阻的测量精度高、灵敏度高，但是受环境影响较大，测温范围小，线性较差。

超声波管道测温的方法与上述的三种方法相比，因具有响应快、无损耗、灵敏度高、不受管道辐射影响、测量范围宽等特点，日益受到国内外研究人员重视。超声波的测温是利用超声波在同一介质中的波速随着介质温度变化而变化，超声波声速公式如下其中，c—声波在介质中的波速,m/s；γ—气体绝热系数定压比热容与定容比热容比值；R—摩尔气体常数，8.314；T—气体温度，K；m—气体分子量，kg/mol。利用这个特性，只需测量超声波的波速即可精确地测量工业现场管道中流体的瞬时温度。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足之处，本实用新型提供一种响应快、无损耗、灵敏度高、不受管道辐射影响、测量范围宽的基于FPGA的管道流体测温装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于FPGA的管道流体测温装置，包括上位机、FPGA控制模块、超声波脉冲发送模块、超声波换能器、通道选择模块、信号采集模块，所述的上位机连接FPGA控制模块，FPGA控制模块上分别连接超声波脉冲发送模块3、信号采集模块，超声波脉冲发送模块、信号采集模块连接通道选择模块，通道选择模块连接超声波换能器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型以FPGA为主控芯片，其高速稳定的特性能够实现对每个敏感的时间节点进行精确地监控，配合高速A/D和D/A转换芯片，采样速率可达到百兆级，实现更加精确和快速的管道流体测温；2、本实用新型采用数字方式产生正弦波，采用的数字方式是直接数字频率合成技术DDS Direct Digital Synthesize，相较于传统的模拟方式生成正弦波，DDS 功耗低、成本低、速度快、分辨率高的优点；3、本实用新型采用是ISE软件集成的IP核FIR Compiler v5.0，相较于模拟滤波器，FIR数字滤波器能够避免温漂、电压漂移、噪音等问题，从而提高了测量的精度；4、本实用新型用上位机分析处理数据，可进行多组测量和误差修正，同时可进行不确定性和重复性分析，提高温度测量精度和测量数据可靠性。

附图说明

图1为本实用新型监测装置的结构示意图。

图2为3.3V电源模块。

图3为2.5V电源模块。

图4为1.2V电源模块。

图5为串口通讯电路示意图。

图6为DDS输出超声波数字信号原理图。

图7为超声波脉冲发送电路。

图8为通道选择电路。

图9为高速模拟信号采集电路。

图10为FIR数字滤波器结构示意图。

图11为超声波回波信号过零点提取示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行更加详细的说明。

如图1所示，一种基于FPGA的管道流体测温装置，一种基于FPGA的管道流体测温装置，包括上位机1、FPGA控制模2、超声波脉冲发送模块3、超声波换能器4、通道选择模块5、信号采集模块6，所述的上位机1连接FPGA控制模块2，FPGA控制模块2上分别连接超声波脉冲发送模块3、信号采集模块6，超声波脉冲发送模块3、信号采集模块6连接通道选择模块5，通道选择模块5连接超声波换能器4。

所述的FPGA控制模块采用Xilinx公司开发的Spartan-3E系列的XC3S500E芯片，主要控制超声波脉冲的发送、模拟信号的采集以及控制上位机与下位机的通信；超声波换能器用于发射和接收脉冲信号；超声波脉冲发送电路包括Intersil公司生产的ISL5961 D/A转换芯片、电压反馈放大器THS4271芯片，ISL5961芯片将FPGA控制输出的一组正弦波数字信号转化为模拟信号，再通过THS4271芯片放大ISL5961芯片输出的模拟信号，是超声波探头发射出一组正弦波脉冲；通道选择电路包括CD4052B芯片，控制超声波的传播方向；高速模拟信号采集电路包括AD6645芯片，对超声波回波信号进行模数转换；上位机用 LabVIEW设计，用于对下位机发送控制指令，并对下位机发送的数据进行分析计算。

首先给测温装置供电，电源模块如图2、图3、图4所示；FPGA控制模块中的2-1串口通讯电路图如图5所示，使上位机与下位机通讯；图6为ISE软件集成的IP核2-2DDS Compiler和2-3Block Memory Generator使用直接数字频率合成技术输出正弦波数字信号的示意图；为使超声波换能器发射正弦波信号，需将DDS生成的正弦波数信号转化为模拟信号，3超声波脉冲发送模块如图7所示的高频数模转换电路，其中ISL5961芯片为高频模数转换芯片；通道选择模块控制超声波换能器脉冲信号的发射和接收，与图7所示的模拟信号输出端相连，如图8所示；为采集超声波脉冲信号的回波信号，需将回波信号转化为数字信号进行处理，高速模拟信号采集模块如图9所示，与接收脉冲信号的超声波探头一端相连；2-3Fir Compiler是对超声波回波信号经模数转换电路生成的数字波形进行数字滤波，避免干扰信号对测量结果的影响，Fir Compiler结构如图10所示，主要使用加法器、乘法器和存储资源；2-5为数据存储和算法分析模块，数据存储是对回波信号的数字波形进行存储，算法分析及对回拨信号进行过零点提取，如图11所示，当发射的超声波脉冲信号的最后一个正弦波到达换能器，会出现一个波峰，提取这个特征波的零点T1即为超声波传播时间。

上述装置的使用方法主要包括以下步骤：

1首先在需要测温的管道两端放置两个正对的超声波换能器，测量两个探头之间的距离L，给测温装置通电；

2上位机通过串口通讯给下位机发送指令，控制下位机执行命令；

3 FPGA控制模块控制DDS输出正弦波数字信号，在输出最后一个正弦波信号时开始计时；

4超声波脉冲发送电路将DDS输出的数字信号转化为模拟信号，经通道选择电路控制其中一个超声波换能器发射正弦波脉冲信号；

5高速模拟信号采集电路将超声波回波信号转化为数字信号，并通过FIR数字滤波器消除干扰信号的影响；

6对经数字滤波的回波信号进行算法分析，过零点提取得到超声波传播时间T1；

7将传播时间T1经串口通讯上传到上位机，通过上位机进行分析处理、误差修正，实时显示管道流体温度，并对测量结果生成报表。