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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