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简述智能电磁流量计可在工业应用中实现高精度

简介
从炼油厂到主动售货机等工业运用要求具有准确的温度、压力 和流量检测,以操控杂乱以及简略进程。例如,在食品行业,产品装瓶和装罐的流量准确操控会直接影响赢利,因而有必要最大程度下降流量检测过失。类似地,封闭运送运用——比方石油工业中油罐和油罐车之间的原油和成品油沟通——需求高精度检测。本文供给流量计技能概述,重点评论液体流量检测中精度最高之一的智能电磁流量计
图 1 显现选用流量计和执行器操控液体流速的根本进程操控体系。在最低的水平处,比如温度、流速和气体浓度等进程变量经过输入模块监控,该模块一般是可编程逻辑操控器(PLC)的一部分。这些信息由份额-积分-微分(PID)环路在内部处理。PLC利用这些信息来设置输出,操控稳态进程。进程数据、诊 断和其他信息可向上传递至操作层,而指令、参数和校准数据可向下传递至传感器和执行器。

图 1. 检测和操控液体流速的根本体系
选用多种不同技能检测流速,包含差压、科氏力、超声和电磁等。最常用的是差压流量计,但它们对体系中的压力改动较为灵敏。科氏流量计具有最高的精度(高达 0.1%),但它们体积较大且本钱昂扬。超声流量计一般体积较小、本钱较低,但精度有限(典型值为 0.5%)。超声流量计选用无创检测技能, 提高可靠性的一起最大程度削减了随时刻改动的检测要素的影响,但无法用于脏水或遭到污染的液体。
电磁流量计也能供给无创检测。这些设备可用于酸性、碱性和离子液体——这些液体的电导率规模为 10 S/m至 10–6 S/m,而且可所以洁净、龌龊、腐蚀性、侵蚀性或粘性的液体或浆体,但不适用于碳氢化合物或气体流量检测。它们可以针对直径小至大约 0.125 英寸、最大容量为 10 立方英尺的低流速和高流速供给相对较高的体系精度(0.2%),而且哪怕在更低的流速下也能坚持读数的可重复性。它们可以检测双向流量,即上游或下流。表 1 比较了几种常见的流量计技能。
表 1. 工业流量计技能
 

电磁

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差压

超声

科氏

检测技能

法拉第电磁感应规律

差分:根据容性或根据电桥

传感器互相关、时刻-数字、多普勒

差分相位

均匀精度

0.2%–1%

0.5%–2%

0.3%–2%

0.10%

均匀本钱

300–1000美元

300–1000美元

300–1000美元

3000–10000美元

长处

无活动零件

无活动零件

无活动零件

多功能,可用于简直悉数液体/气体

       

合适腐蚀性液体运用

多功能,可用于液体/ 气体

多功能,可习惯后向装置

独立于压力和温度

       

双向流量检测

     


电磁流量计选用法拉第电磁感应规律,该规律指出,在磁场中移动的导体将会发生感应电压。液体可看作导体;磁场由流管外的通电线圈发生。感应电压起伏直接与导体的运动速度和导体类型、流管直径以及磁场强度成正比,如图 2 所示。
法拉第规律在数学上可以表明为:E = kBLV
其中,V表明导电流体的运动速度;B表明磁场强度;L表明拾取电极之间的间距;E表明电极两头测得的电压;k为常数。B、L和k可所以固定值,也可以进行校准,然后等式简化为:E ∝ V。

图 2. 电磁流量计
流过励磁线圈的电流发生受控磁场。专用励磁波形是电磁流量计的一个重要方面,在实践运用中会运用多种类型,包含低频矩形波、电力线频率正弦波、双频波和可编程脉冲宽度。表2 显现各种传感器线圈的励磁波形。
表 2. 传感器励磁类型、波形和特性

大部分运用选用低频直流矩形波励磁 ⁄25、 ⁄16、 ⁄10、 ⁄8、 ⁄4 或⁄2 电力线频率(50 Hz/60 Hz)的传感器线圈。低频励磁具有稳定的起伏和方向替换改动的电流,完成低频零漂移功能。电流方向选用晶体管或场效应管H电桥进行切换。若SW1 和SW4 导通,而SW2 和SW3 封闭(图 3a),则传感器线圈处于正相位励磁期间;一起,稳定电流进入EXC+并流出EXC– 。若SW1和SW4 封闭,而SW2 和SW3 导通(图 3b),则传感器线圈处于负相位励磁期间;一起,稳定电流进入EXC–并流出EXC+。

图 3. H 电桥操控传感器线圈励磁相位
电磁流量计的励磁电流比较其他流量检测技能而言十分大,其规模为 125 mA至 250 mA,掩盖线路供电式流量计的首要规模。高达 500 mA或 1 A的电流将用于直径更大的管道。图 4所示电路可以发生精细 250 mA传感器线圈励磁。8 ppm/°C基准电压源ADR3412 供给完成电流偏置的 1.2 V设定点。

图 4. 线性调节吸电流
尽管这种传统的电流励磁办法选用基准电压源、扩大器和晶体管电路供给良好的低噪声功能,但该办法由于经过功率晶体管的电流和其两头的电压降都很大,因而功率丢失极大。该办法需求运用散热器,然后增加了体系本钱和尺度。具有开关形式电源的恒流源正成为更盛行的传感器线圈励磁办法。图 5 显现同步降压DC-DC调节器 ADP2441 装备为恒流源输出。这项技能可以消除运用线性电流源的功率丢失,并可极大地改善 体系功能。

图 5. 开关形式稳定电流励磁电路
功率更高的体系选用电流检测确诊功能监测随负载、电源、时刻和温度改动的电流改动,一起还能检测传感器线圈开路。分流扩大器 AD8219 可用来监测 80 V共模电压规模内 60 V/V增益和 0.3%精度的励磁电流。阻隔式电流扩大器选用阻隔式Σ-∆调制器 AD7400A 以及轨到轨运算扩大器AD8646,如图 6 所示。AD7400 的输出经过四阶低通滤波器处理,以便重构检测输出。          


图 6. 阻隔式励磁电流监控
电极或检测元件相同也是重要的考虑要素。两种首要的检测技能都是容性的,一种是电极装置在管道外面;另一种更常见,即电极插入管道中,并由液体冲刷。
传感器电极有多种不同的资料选项,每一种都有共同的特点,包含温度漂移、腐蚀率和电极电位。最佳组合是选用低腐蚀率(每年<0.02 英寸)的高温材>100°C)。表 3 显现部分具有代表性的传感器资料,及其规范电位。
表 3. 传感器资料和电位

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规范电位(V)

资料

规范电位(V)

–2.34

–0.25

–1.70

–0.126

–1.67

0.345

–1.05

0.8

–0.762

1.2

0.71

1.42


铂是高质量电极资料的一个极佳示例,它的腐蚀率低于每年0.002 英寸,而且可在高达 120°C的环境温度下作业。但是铂具有相对较高的 1.2 V电极电位,而且会发生需求在传感器输出端进行按捺的共模电压(CMV)。不锈钢电极的CMV仅为几百mV,因而可以更为轻松地按捺共模电压。在非腐蚀性流体 中,不锈钢资料的运用更为广泛。
假如两个电极选用相同的资料,而且具有相同的外表情况,那么它们的电位应当持平。但是,事实上,极化电位会像低频沟通讯号那样缓慢动摇,由于流体和电极之间存在物理冲突或电化学效应。任何失配都将表现为差模噪声。偏置电压与电极电位共同组成共模电压,在榜首级扩大器输入端发生几百mV至大约1 V的共模电压;因而,电子器材有必要具有恰当的共模按捺才干。图7显现差分体系的单电极电位,该体系#316不锈钢电极的偏置为0.28 VDC,噪声为0.1 VP-P;电极装置在直径为50 mm的水管上。

图 7. 偏置为 0.28 VDC b、共模噪声为 0.1 VP-P 体系中的电极电位
典型流速规模为 0.01 m/s至 15 m/s——即动态规模为 1500:1。典型线路供电电磁流量计的灵敏度为 150 µV/(m/s)至 200 µV/(m/s)。因而,双向流速为 0.01 m/s时,150 µV/(m/s)传感器将供给 3 µVP-P 输出。关于 2:1 的信噪比而言,折合到输入端的总噪声不该超越 1.5 µVP-P。在直流到低频规模内,流速的改动十分缓慢,因而 0.1 Hz至 10 Hz噪声带宽十分重要。此外,传感器输出电阻可以十分高。为了满意这些要求,前端扩大器有必要具有较低的噪声、较高的共模按捺才干,以及较低的输入偏置电流。
传感器的共模输出电压由前端扩大器的共模按捺进行衰减。若CMR为 120 dB,则 0.28 VDC 偏置被按捺到 0.28 µVDC。该失调 可以经过对信号进行沟通耦合而校准或消除。沟通重量会在放 大器输出端发生噪声,下降最低可检测水平。若CMR为 120 dB,则 0.1 VP-P 被按捺到 0.1 µVP-P。
传感器输出电阻在几十Ω至 107 Ω之间改动,具体取决于电极类型和流体导电率。为了最大程度下降丢失,前端扩大器的输入阻抗有必要远大于传感器的输出电阻。需求用到一个具有高输入电阻的JFET或CMOS输入级。前端扩大器的低偏置电流和低失调电流是最大程度下降电流噪声和共模电压的要害参数。表 4 显现数个引荐前端扩大器的规范。
表 4. 代表性仪器扩大器规范

模型

增益

ZIN

CMR(最小值,dB),直流至 1kHz,G = 10

1/f 噪声 (µVP-P)

IBIAS (pA)

电源电压(V)

AD620

1至 10,000

109 Ω || 2 pF

100

0.55

500

±2.3至 ±18

AD8220

1至 1000

1013 Ω || 5 pF

100

0.94

10

±2.25至 ±18

AD8221

1至 1000

1011 Ω || 2 pF

110

0.5

200

±2.3至 ±18

AD8228

10,100

1011 Ω || 2 pF

100

0.5

400

±2.3至 ±18

AD8421

1至 10,000

3×1010 Ω || 3 pF

114

0.5

100

±2.5至 ±18


图 8 显现选用精细仪器扩大器 AD8228 的流量计。前端扩大器按捺共模电压,一起扩大弱小的传感器信号。该流量计合理的布局以及经激光调整的电阻答应其供给有确保的增益过失、增益漂移和共模按捺规范。为了最大程度下降走漏电流,可以通 过对输入电压进行采样,并将缓冲电压衔接至输入信号途径周围的未屏蔽走线,然后维护高阻抗传感器输出。
榜首级的增益一般为 10 至 20,但不会更高,由于低电平信号有必要经过扩大才干进行后期处理,一起坚持较小的直流失调,防止后级电路饱满。

图 8. 前端扩大器和电磁流量传感器之间完成接口
输入级后接有源带通滤波器,可用来消除直流重量,并将增益设为充分利用后级ADC的输入动态规模。传感器励磁频率规模为电源线频率的 1⁄25 至 1⁄2,据此可设置带通截止频率。图9 显现流量计中运用的带通滤波器。

图 9. 输入扩大器后接带通滤波器
榜首级是一个沟通耦合单位增益高通滤波器,截止频率为 0.16Hz。其传递函数为:
随后几级结合榜首级形成完好的带通滤波器,其低频截止频率为 0.37 Hz,高频截止频率为 37 Hz,3.6 Hz时的峰值为 35.5 dB,滚降为–40 dB/十倍频程,等效噪声带宽为 49 Hz。针对该级挑选的扩大器一定不能发生额外的体系噪声。
运用低功耗精细运算扩大器 AD8622 ——其 1/f噪声额定值为0.2 µVP-P,宽带噪声额定值为 11 nV/√Hz——折合到滤波器输入端的噪声为 15 nV rms。当折合到扩大器输入端时,该噪声变为 1.5 nV rms,与 0.01 m/s流速下的±1.5 µV P-P 噪声比较可以忽略不计。将来自共模电压、前端扩大器和带通滤波器的噪声源相加,则折合到AD8228 输入端的方和根噪声为 0.09 µV rms,或者约 为 0.6 µV P-P。
滤波器输出在起伏中包含流速,在相位中包含流向。双极性信号经过模仿开关、坚持电容和差动扩大器进行解调,如图 10 所示。模仿开关有必要具有较低的导通电阻和中等开关速度。高压防闩锁型四通道单刀单掷(SPST)开关 ADG5412 具有 9.8 Ω RON 典型值和1.2 Ω R ON 平整度,对信号形成的增益过失和失真很小。

图 10. 同步解调电路
低功耗、低本钱、单位增益差动扩大器 AD8276 以 5 V满量程输入规模与ADC完成接口。因而,其REF引脚衔接 2.5 V基准电压源,并对双极性输出进行电平变换处理,将其变换为单极性规模。高于 2.5 V的输出表明正向活动,而低于 2.5 V则表明 反向活动。
挑选 ADC
断定体系过失预算时,一般传感器是主导的要素,而且许多传感器都会占到总过失的 80%至 90%。电磁流量计的国际规范规则,在 25°C和稳定流速的情况下,检测可重复性不该超越体系最大过失的 1/3。若总过失预算为 0.2%,则可重复性不该超越 0.06%。若传感器占用了体系噪声预算的 90%,则变送器电极的最大过失应为 60 ppm.
若要最大程度下降过失,可以对ADC样本求均匀值。例如,关于五个样本,可以放弃最大样本和最小样本,并对余下的三个样本求均值。ADC在每个树立的间隔期间都需求获取五个样本,并在励磁周期的终究 10%期间获取。这要求ADC的采样 速率至少是传感器励磁频率的 50 倍。为了习惯最快的 30 Hz励磁,最小采样速率需到达 1500 Hz。更高的采样速度答应对更多样本求均值,然后按捺噪声,取得更佳的精度。


Σ-∆技能十分合适用来满意这些对ADC的要求,以恰当的速度供给超卓的噪声功能。超低噪声Σ-∆型ADC AD7192 合适电磁流量计运用,该器材在 4800 Hz输出数据速率下具有 16.5 位无噪声分辨率额定值。表 5 显现该器材的有用分辨率与增益和输出数据速率的联系。
表 5. AD7192 有用分辨率与增益和输出数据速率的联系
滤波器字(十进制)

输出数据速率 (Hz)

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树立时刻 (ms)

增益 = 11

增益 = 81

增益 = 161

增益 = 321

增益 = 641

增益 = 1281

1023

4.7

852.5

24(22)

24(22)

24(21.5)

24(21.5)

23.5(21)

22.5(20)

640

7.5

533

24(22)

24(21.5)

24(21.5)

23.5(21)

23(20.5)

22.5(20)

480

10

400

24(21.5)

23.5(21)

23.5(21)

23.5(21)

23(20.5)

22(19.5)

96

50

80

22(19.5)

22(19.5)

22(19.5)

22(19.5)

21.5(19)

21(18.5)

80

60

66.7

22(19.5)

22(19.5)

22(19.5)

21.5(19)

21.5(19)

20.5(18)

40

120

33.3

22(19.5)

21.5(19)

21.5(19)

21.5(19)

21(18.5)

20.5(18)

32

150

26.7

21.5(19)

21.5(19)

21.5(19)

21(18.5)

21(18.5)

20(17.5)

16

300

13.3

21.5(19)

21.5(19)

21(18.5)

21(18.5)

20.5(18)

19.5(17)

5

960

4.17

20.5(18)

20.5(18)

20.5(18)

20(17.5)

19.5(17)

19(16.5)

2

2400

1.67

20(17.5)

20(17.5)

19.5(17)

19.5(17)

19(16.5)

18(15.5)

1

4800

0.83

19(16.5)

19(16.5)

19(16.5)

18.5(16)

18.5(16)

17.5(15)

1括号中的数字表明输出峰峰值(p-p)分辨率。


图 11 显现ADC子电路,包含解调器输出和微功耗、高精度 2.5V基准电压源 ADR3425 。

图 11. ADC子电路
某些运用(比方饮料灌装)需更高频率的传感器励磁。150 Hz传感器线圈励磁答应在大约一秒时刻内完成灌装进程。噪声要求不变,但ADC有必要更快。Σ-∆型ADCAD7176-2 的树立时刻为 20 µs,250 kSPS时的无噪声分辨率为 17 位,50 Hz和 60 Hz信号音的噪声按捺功能为 85 dB。
模仿信号链测验
此处所述之构建块用来在校准实验室内励磁和测验电磁流量传感器。在实在的流量体系中还测验了完好的前端,包含高CMRR输入级、带通滤波器和增益级。两块测验板在 1 m/s至 5 m/s规模内到达±0.2%精度,可重复性为 0.055%,很好地满意了工业规范。电磁流量计的信号链如图 12 所示。

图 12. 电磁流量计
传感器励磁和检测表明整体体系功能,由于电极发生的mV级信号终究变换为流量成果。流速信号经过多种协议传送至体系操控器,包含RS-485 和 4 mA至 20 mA电流环路。电流环路的重要优势是它不受线路压降的影响,可以完成长间隔通讯,而且比较电压通讯更不简单遭到噪声搅扰影响。在工厂主动化应 用中,数字总线协议更为常用,运用差分电压形式信号经过较短的间隔便可供给高速通讯。图 13 显现 4 mA至 20 mA采样电路,运用HART ®图 14 显现阻隔式RS-485 解决方案。

图 13. 集成 HART 的 4 mA 至 20 mA 电流环路

图 14. 阻隔式 RS-485 电路
为了坚持用户界面的安全电压,并防止源信号发生瞬变,一般在每个通讯通道与体系操控器之间需求进行电流阻隔。表6 列出的器材针对这些通讯规范可供给最高的集成度。
表 6. 用于工业数据收集的集成电路
输出

解决方案

阐明

长处

4-mA 至 20-mA AD5410/AD5420 单通道、16 位、电流源DAC

开路/短路确诊过温毛病

输出压摆率操控

 
软件可编程电流/电压规模
4-mA 至 20-mA AD5412/AD5422 单通道、16位、电流源和电压输出DAC、HART衔接

开路/短路确诊过温毛病

 
输出压摆率操控
 
软件可编程电流/电压规模
4-mA 至 20-mA AD5750 工业电流/电压输出驱动器,输出规模可编程

开路/短路确诊过温毛病

 
输出压摆率操控
 
CRC过失校验
 
负电流规模
HART AD5700 低功耗HART调制解调器

接纳形式时的电源电流:115μA(最大值)

 
集成带通滤波器
 
只需很少的外部器材
RS-232 ADM3251E 阻隔式单通道RS-232线路驱动器/接纳机

RIN and 和TOUT 引脚供给ESD维护

 
±8 kV:触摸放电
 
±15 kV:气隙放电
CAN 总线

ADM3053

2.5kV rms信号和电源阻隔CAN收发器

限流和热关断特性,可防止输出短路

RS-485 ADM2582E 2.5 2.5 kV信号和电源阻隔、±15 kV ESD维护、全/半双工RS-485

开路和短路毛病维护接纳器输入

 
热关断维护

定论
电磁流量计是现在运用最为广泛的流量技能之一。首要用于液 体流量检测,重点是自来水与污水处理体系,在欧洲尤为受欢 迎。其首要的开展趋势是削减PCB面积和提高功能。体系功能 取决于模仿输入模块,该模块需求用到高阻抗、低噪声、高 CMRR输入扩大器和低噪声、高分辨率Σ-∆型ADC。后续开展 趋势表明需求用到速度更快的ADC。AD719x系列ADC满意当 前的体系级要求,而AD7176 系列可以很好地满意未来的要求。 ADI的高效率DC-DC调节器、集成式通讯、高分辨率ADC、精 密扩大器以及高精度基准电压源可让规划人员完成新规划,并 取得高于这些要求的功能。          
 

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