ECT系统高速数据采集电路的实现.pdf

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1、检测与仪表化工自动化及仪表，2010，37(11)：63～65ContmlandInst九lmPntsinChemiPallndustl了ECT系统高速数据采集电路的实现周云龙8，高云鹏6，衣得武6(东北电力大学a．能源与机械工程学院．b．自动化工程学院，吉林吉林132012)摘要：针对EcT系统数据采集部分，采用FPGA产生可调的高频正弦激励，并用其控制通道选择电路。用VHDL语言编程，克服了硬件设计更新能力差的缺点，其中正弦激励对于8、10、12、16极板全部适用。本系统具有高速、干扰小、集成度好、易于优化和更新的特点。实验表明，测量装

2、置的线性度为O．9994且8电极稳定的采集速度为27415帧／秒。关键词：电容；层析成像；高速；采集电路中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1000．3932(2010)11珈63旬31引言电容层析成像(Electricalc印acitanceTomo—graphy，ECT)技术是过程层析成像的一种，是上世纪80年代末由英国曼彻斯特大学理工学院(university0fM肌chesterInstituteofScience觚dTechn0109)，，uMIsT)提出的一种新的过程层析成像(ProcessTomog碍phy)技术⋯，

3、是未来流动层析成像的发展主流之一悼。，它是通过测量绝缘体表面周围电极之间的电容值来计算物体内部介电常数的空间分布，获取管道截面相分布的微观信息的一种方法，比较常用的例子是应用于管道的气／液，气／固两相流的检测。这种技术可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状态等可视化信息，比之其它多相流检测技术电容层析成像具有成本低廉、非侵入性、适用范围广、安全性能佳等优点i㈧1。但是ECT系统用于实现两相流系统参数测量目前存在的问题主要有两个方面：一方面由于两相流的非线性和复杂多变性，要求较高的数据采集速度；另一方面是涉及微弱

4、电容测量问题，要求测量电路具有很强的抗杂散电容的性能，对传感器灵敏度、抗干扰性能要求高，此外还存在数据远传、传感器引线影响等方面的问题。L⋯。由于管道中流体的流速很快，为了满足实时成像，这就要求EcT系统具有很高的数据采集系统和处理速度，目前的ECT系统普遍采用8位单片机作为控制器和基于单片机的串口数据传输方式，目前文献报道已经研制成功的12电极的ECT系统最快的数据采集速度是800幅／秒⋯，这在数据采集上，对于高速流体还不能满足实时性的要求，国外有使用光纤通信技术的文献报道‘81，这就使得ECT系统的成本比较昂贵；国内也见有使用DsP作为

5、处理器的文献资料一o。针对目前的研究现状，实现了一种高速数据采集电路，采用FPGA芯片编程产生可调高频正弦激励信号源，同时用它控制多通道选择电路。对于不同流速流体的采集速度町通过可调高频正弦波按键进行设置，使系统工作在最优状态，使其更符合工程需求。并将采集到的数据进行线性关系测试试验，分析可见，系统工作状态良好。2基于FPGA的可调高频正弦波发生电路FPGA是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一，支持晶振频率町达上百兆，因此由其产生的正弦波数据干扰很小，而且速度很快。还可以根据外界输入而任意改变输出频率，产生不同频率的信号，对于E

6、cT系统目前文献提到的8、10、12、16极板全部适用，不需要更改硬件电路，简单易行。基于FPGA的可调高频正弦波发生电路原理图如图l所示。图l可调高频正弦波发生电路原理图图l工作原理为，在FPGA中定制一个8位的ROM，并将一个周期的正弦波二进制数据存储到该收稿日期：2010旬8旬3(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976018)·64·化工自动化及仪表第37卷ROM中，按键将时钟信号分频，用计数器累计分频脉冲的个数，计数器即为ROM地址发生器，随着地址的增加便输出正弦波数据，不难理解按键具有调节正弦波频率的功能，计数器溢

7、出一次就产生一个完整的正弦波，同时输出多通道选择电路的控制信号，即极板切换码元(在第3部分中介绍)，这样就能够保证在每对极板被冲击时，都能通过一个完整周期的正弦波。采用VHDL语言编程，程序流程如图2所示。由于输出的正弦波数据为二进制数字代码，因此需要经D／A转换器，将其转换为模拟信号，本论文中采用AD7524。图2n，GA工作流程图根据C／V转换电路的经典公式(1)可知，对于电容检测来讲，输入电压K越大越好，这样能够保证输出电压的幅值较大，根据电子器件的支持电压范围和可行性考虑，选择后续运放电路的输出电压幅值为15V，具体工作过程为，由于

8、AD7524是电流型的D／A，需要进行L／V转换，转化后电压为一2．5—2．5V，ul的作用是将信号放大，产生一7．5—7．5V的正弦信号；u2，u3构成一个加法电路，输出信号为