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科普知識
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直尺

應對復雜工業電磁流量計挑戰,看這款高集成度模擬IC前端如何為你的設計“減負”

發布日期:2022-07-14 點擊率:37

        "若不能度量,則無法管理。",計量可以稱為工業生產的眼睛,流量測量的發展更是可追溯到古代的水利工程和城市供水系統:古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量;公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量;我國著名的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小;等等。現如今,隨著工業生產的發展,對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高,流量測量技術日新月異,為了適應各種用途,各種類型的流量計相繼問世。
       
工業流量計的主要種類

        測量流速最常用的是差壓流量計,但它們對系統中的壓力變化較為敏感。科氏流量計具有最高的精度(高達 0.1%),但它們體積較大且成本高昂。超聲流量計通常體積較小、成本較低,但精度有限(典型值為 0.5%),其一般采用無創測量技術,提升可靠性的同時最大程度減少了隨時間變化的檢測要素的影響,但無法用于臟水或遭到污染的液體。
 
常見的工業流量計技術
        電磁流量計同樣能提供無創檢測,同時對于液體流量測量,電磁流量計技術有多種優勢。它的傳感器一般是連接到管道中,其直徑與管道直徑一致,因而測量時不會干擾或限制介質的流動。由于傳感器不是直接浸沒在液體中,沒有活動部件,因此不存在磨損問題。電磁方法測量的是體積流量,這意味著測量對流體密度、溫度、壓力和粘度等參數的變化不敏感。一旦用水標定電磁流量計,就可以使用它來測量其他類型的導電流體,無需進一步標定。這是其他類型流量計所不具備的一個重要優勢。
        另外,電磁流量計特別適合測量固液兩相介質,例如泥漿等帶懸浮泥土、固體顆粒、纖維或粘稠物的高導電率介質。它可用于測量污水、泥漿、礦漿、紙漿、化學纖維漿及其他介質。這使得它特別適合食品、制藥等行業,利用它可測量玉米糖漿、果汁、酒類、藥物、血漿及其他許多特殊介質。然而,由于電磁流量計系統復雜度較高且工業現場通常環境復雜,因此一款好的電磁流量計非常考驗設計人員的綜合能力。針對此種狀況,高性能模擬芯片廠商ADI推出了小尺寸、低功耗、高性價比的集成式解決方案,大大簡化了電磁流量計廠商的設計流程。

工業電磁流量計系統的設計挑戰
        電磁流量計的工作原理基于法拉第電磁感應定律。當垂直于磁場方向的導體以速度V做切割磁力線的運動時,導體的兩端會產生一定的感應電動勢E,通過檢測該感應電動勢的大小來計算液體流速變化。
       
電磁流量計系統原理

        為了合理設計電磁流量計系統,設計人員必須考慮許多不同的系統要求,包括精度、帶寬和勵磁頻率等:
☆電磁流量計傳感器的輸出范圍可能小到只有數十μV,而且通常伴隨很大的共模電壓。輸出阻抗往往高于數兆歐。所以,前端精密運算放大器或儀表放大器要求超高輸入阻抗、極低漏電流和出色的共模抑制比(CMRR)。
☆電磁流量計產品的最大測量范圍可高達1500 : 1,反映流速范圍:0.01 m/s~15 m/s。
☆測量精度最高可以達到讀數的0.2%,這通常需要16至24位的模數轉換器。
☆與不同現場總線的連接,例如HART、PROFIBUS、Modbus、Foundation、RS-485/RS-422/RS-232、無線HART等。
☆系統電源、中央邏輯單元、通信和I/O之間需要隔離;隔離等級要求從1 kV到2.5 kV不等。
☆便攜式電磁流量計需要超低功耗MCU、放大器、ADC元件。
☆高頻方波激勵可改善泥漿的流動并提高抗擾度,但同時需要考慮零點穩定度。

        工業應用環境的溫差變化同樣需要重點考量。如需獲得較寬的工作溫度范圍,低溫漂系數和低功耗對電磁流量計來說至關重要。除此之外,浪涌、EFT和ESD等EMC抗擾度也是電磁流量計面臨的嚴峻挑戰。同時由于電磁流量計內部空間有限,對系統密度也有較高要求,因而必須減小器件尺寸。

大幅降低系統成本,打造小型化高性能解決方案
        ADI開發了一款系統級參考設計,用以支持電磁流量計完整信號鏈的原型開發。該系列配置靈活,可連接到任何類型的電磁流量傳感器,施加適當的激勵頻率和電壓即可產生磁場 (由Blackfin 數字信號處理器控制),能夠測量傳感器輸出,以及應用后處理濾波器和算法來計算流速。ADI在真實的流量試驗臺環境中對設計進行標定(如下圖所示),并將標定系數存儲在非易失存儲器中。支持單點或多點校準,通過多點線性化可實現更高的性能。這樣做的結果表明:該模擬前端設計的性能可以達到領先高端流量計的要求。
        
ADI完整解決方案

        該解決方案采用過采樣方法大大簡化了模擬前端設計:模擬帶通濾波器和采樣保持電路不再需要,電路中的前置放大器僅有一級儀表放大器——AD8220 JFET 輸入級軌到軌輸出儀表放大器,它可以直接連接到高速Σ-Δ 型轉換器;AD7172-2 提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合,特別適合電磁流量應用,流量結果的刷新速率可以達到50 SPS,不需要增加外部放大級。
        此外,電磁流量計的激勵電流設計也很重要,該激勵電流可能相當大,從針對較小直徑管 道的50 毫安到針對較大直徑管道的500毫安或1安培不等。 恒流電路若采用線性穩壓電路,可能會消耗大量功耗和電路板面積。此方案中,ADP2441 配置為恒流源輸出模式,1.2 V ADR5040輸出電壓由兩個電阻分壓至150 mV。此150 mV 電壓施加于ADP2441 電壓跟蹤引腳,使得電壓反饋引腳也保持在150 mV。當在反 饋引腳上使用一個0.6 Ω 電流設置電阻時,ADP2441 便會將其輸出電流調節到預設電流ISET水平。通過調整連接到ADP2441 反饋引腳的電流設置電阻值,便可調節恒流源。
        相比傳統架構,這款創新架構有多方面重要優勢。面積和成本均有顯著節省——分別達到50%和20%。由于能夠節省傳感器信號并應用后處理,功耗也會降低,系統性能也得以增強。

總結
        電磁流量計是目前使用最為廣泛的流量技術之一,主要用于液體流量測量,重點是自來水與污水處理系統,其主要的發展趨勢是減少PCB面積和提升性能。傳統的電磁流量計設計方法通常在成本、面積、功耗、響應時間、有限的系統信息等方面表現不能盡如人意。ADI公司能夠提供完美的產品系列,包括精密放大器、精密基準電壓源、精密模數轉換器和Cortex?-M3內核微處理器等,同時其元件的高ESD抑制能力也能夠大大改善產品的可靠性和穩定性,從而讓設計人員實現新設計,并獲得高于這些要求的性能,完整設計相比于之前的技術大大簡化,而且可節省成本、功耗和面積,優勢眾多。


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