从炼油厂到自动售货机等工业应用要求具有精确的温度、压力和流量测量,以控制复杂以及简单过程。例如,在食品行业,产品装瓶和装罐的流量精确控制会直接影响利润,因此必须zui大程度降低流量测量误差。类似地,封闭运输应用比如石油工业中油罐和油罐车之间的原油和成品油交换一需要高精度测量。本文提供欧宝官方(中国)官方网站技术概述,重点讨论液体流量测量中精度zui高之一的电磁欧宝官方(中国)官方网站。
图1显示采用欧宝官方(中国)官方网站和执行器控制液体流速的基本过程控制系统。在zui低的水平处,诸如温度、流速和气体浓度等过程变量通过输入模块监控,该模块通常是可编程逻辑控制器(PLC)的一部分。这些信息由比例-积分-微分(PID)环路在内部处理PLC利用这些信息来设置输出,控制稳态过程。过程数据、诊断和其他信息可向上传递至操作层,而命令、参数和校准数据可向下传递至传感器和执行器。
采用多种不同技术测量流速,包括差压、科氏力、超声和电磁等。zui常用的是差压欧宝官方(中国)官方网站,但它们对系统中的压力变化较为敏感。科氏欧宝官方(中国)官方网站具有zui高的精度(高达0.1%),但它们体积较大且成本高昂。超声欧宝官方(中国)官方网站通常体积较小、成本较低,但精度有限(典型值为0.5%)。超声欧宝官方(中国)官方网站采用无创測量技术提升可靠性的同时zui大程度减少了随时问变化的检测要素的影响,但无法用于脏水或遭到污染的液体。
电磁欧宝官方(中国)官方网站也能提供无创检测。这些设备可用于酸性、碱性和离子液体一一这些液体的电导率范围为10S/m至10的-6S/m,并且可以是干浄、航脏、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测量。它们能够针对直径小至大约0.125英寸、zui大容量为10立方英尺的低流速和高流速提供相对较高的系统精度(0.2%),并且哪怕在更低的流速下也能保持读数的可重复性。它们可以测量双向流量,即上游或下游。表1比较了几种常见的欧宝官方(中国)官方网站技术。电磁欧宝官方(中国)官方网站采用法拉第电磁感应定律,该定律指出,在磁场中移动的导体将会产生感应电压。液体可看作导体;磁场由流管外的通电线圈产生。感应电压幅度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。法拉第定律在数学上可以表示为:E=kBLV
其中,V表示导电流体的运动速度;B表示磁场强度;L表示拾取电极之间的间距;E表示电极两端測得的电压;k为常数。B、L和k可以是固定值,也可以进行校准,从而等式简化为:E∝V。
流过励磁线圈的电流产生受控磁场。专用励磁波形是电磁欧宝官方(中国)官方网站的一个重要方面,在实际应用中会使用多种类型,包括低频矩形波、电力线频率正弦波、双频波和可编程脉冲宽度。表2显示各种传感器线圈的励磁波形。
大部分应用采用低频直流矩形波励磁1/25、1/16、1/16、1/8、1/4或1/2电力线频率(50Hz60Hz)的传感器线圈。低频励磁具有恒定的幅度和方向交替变化的电流,实现低频零漂移性能。电流方向采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关闭(图3a),则传感器线圈处于正相位励磁期间;同时,恒定电流进入EXC+并流出EXC-。若SW1和SW4关闭,而SW2和SW3导通(图3b),则传感器线圈处于负相位励磁期间;同时,恒定电流进入EXC一并流出EXC+。
电磁欧宝官方(中国)官方网站的励磁电流相比其他流量测量技术而言非常大,其范围为125mA至250mA,覆盖线路供电式欧宝官方(中国)官方网站的主要范围。高达500mA或1A的电流将用于直径更大的管道。图4所示电路可以产生精密250mA传感器线圈励磁。8ppm/°C基准电压源ADR3412提供实现电流偏置的1.2V设定点。
虽然这种传统的电流励磁方法采用基准电压源、放大器和晶体管电路提供良好的低噪声性能,但该方法由于经过功率晶体管的电流和其两端的电压降都很大,因此功率损失极大。该方法需要使用散热器,从而增加了系统成本和尺寸。具有开关模式电源的恒流源正成为更流行的传感器线圈励磁方法。图5显示同步降压DC-DC调节器ADP2441配置为恒流源输出。这项技术可以消除使用线性电流源的功率损失,并可极大地改善系统性能。
功率更高的系统采用电流检測诊断功能监测随负载、电源、时间和温度变化的电流改变,同时还能检测传感器线圈开路。分流放大器AD8219可用来监测80V共模电压范围内60V/V增益和0.3%精度的励磁电流。隔离式电流放大器采用隔离式Σ-△调制器AD7400A以及轨到轨运算放大器AD8646,如图6所示。AD7400的输出通过四阶低通滤波器处理,以便重构检测输出。
电极或检测元件同样也是重要的考虑因素。两种主要的测量技术都是容性的,一种是电极安装在管道外面;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材料选项,每一种都有独特的属性,包括温度漂移、腐蚀率和电极电位。zui佳组合是采用低腐蚀率(每年<0.02英寸)的高温材料(>100°C)。表3显示部分具有代表性的传感器材料,及其标准电位。
铂是高质量电极材料的一个极佳示例,它的腐蚀率低于每年0.002英寸,并且可在高达120°C的环境温度下工作。然而铂具有相对较高的1.2V电极电位,并且会产生需要在传感器输出端进行抑制的共模电压(CMV)。不锈钢电极的CMV仅为几百mV,因而可以更为轻松地抑制共模电压。在非腐蚀性流体中,不锈钢材料的使用更为广泛。
如果两个电极采用相同的材料,并且具有相同的表面状况,那么它们的电位应当相等。然而,事实上,极化电位会像低频交流信号那样缓慢波动,因为流体和电极之问存在物理摩擦或电化学效应。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,在第一级放大器输入端产生几百mV至大约1V的共模电压;因此,电子器件必须具有适当的共模抑制能力。图7显示差分系统的单电极电位,该系统#316不锈钢电极的偏置为0.28VDC,噪声为0.1Vp-p;电极安装在直径为50mm的水管上。
典型流速范围为0.01m/s至15m/s即动态范围为1500:1。典型线路供电电磁欧宝官方(中国)官方网站的灵敏度为150µV(m/S)至200µV(ms)因此,双向流速为0.01ms时,150V/(m/s)传感器将提供3µVp-p输出。对于2:1的信噪比而言,折合到输入端的总噪声不应超过1.5µVp-p。在直流到低频范围内,流速的变化十分缓慢,因此0.1Hz至10Hz噪声带宽非常重要。此外,传感器输出电阻可以非常高。为了满足这些要求,前端放大器必须具备较低的噪声、较高的共模抑制能力,以及较低的输入偏置电流。传感器的共模输出电压由前端放大器的共模抑制进行衰减。若CMR为120dB,则0.28VDc偏置被抑制0.28µVDc。该失调可以通过对信号进行交流耦合而校准或消除。交流分量会在放大器输出端产生噪声,降低zui低可检测水平。若CMR为120dB,则0.1Vp-p被抑制到0.1µVp-p。传感器输出电阻在儿十Ω至107Ω之间变化,具体取决于电极类型和流体导电率。为了zui大程度降低损失,前端放大器的输入阻抗必须远大于传感器的输出电阻。需要用到一个具有高输入电阻的JFET或CMOS输入级。前端放大器的低偏置电流和低失调电流是zui大程度降低电流噪声和共模电压的关键参数。表4显示数个推荐前端放大器的规格。
图8显示采用精密仪表放大器AD8228的欧宝官方(中国)官方网站。前端放大器抑制共模电压,同时放大微弱的传感器信号。该欧宝官方(中国)官方网站合理的布局以及经激光调整的电阻允许其提供有保证的增益误差、增益漂移和共模抑制规格。为了zui大程度降低泄漏电流,可以通过对输入电压进行采样,并将缓冲电压连接至输入信号路径周围的未屏蔽走线,从而保护高阻抗传感器输出。第一级的增益通常为10至20,但不会更高,因为低电平信号必须经过放大才能进行后期处理,同时保持较小的直流失调避免后级电路饱和。
输入级后接有源带通滤波器,可用来消除直流分量,并将增益设为充分利用后级ADC的输入动态范围。传感器励磁频率范围为电源线频率的1/25至1/2,据此可设置帯通截止频率。图9显示欧宝官方(中国)官方网站中使用的帯通滤波器。
第一级是一个交流耦合单位增益高通滤波器,截止频率为0.16Hz。其传递函数为:
随后几级结合第一级形成完整的带通滤波器,其低频截止频率为0.37Hz,高频截止频率为37Hz,3.6Hz时的峰值为35.5dB,滚降为-40dB/十倍频程,等效噪声帯宽为49Hz。针对该级选择的放大器一定不能产生额外的系统噪声。
使用低功耗精密运算放大器AD8622一其1/f噪声额定值为0.2µVp-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15nVms。当折合到放大器输入端时,该噪声变为1.5 nVrms,与0.01ms流速下的士1.5µVp-p噪声相比可以忽略不计。将来自共模电压、前端放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0.6µVP-P。
滤波器输出在幅度中包含流速,在相位中包含流向。双极性信号通过模拟开关、保持电容和差动放大器进行解调,如图10所示。模拟开关必须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9.8ΩRoN典型值和1.2ΩRoN平坦度,对信号造成的增益误差和失真很小。
低功耗、低成本、单位增益差动放大器AD8276以5V满量程输入范围与ADC实现接口。因此,其REF引脚连接2.5V基准电压源,并对双极性输出进行电平转换处理,将其转换为单极性范围。高于2.5V的输出表示正向流动,而低于2.5V则表示反向流动。
选择ADC
确定系统误差预算时,通常传感器是主导的因素,并且很多传感器都会占到总误差的80%至90%。电磁欧宝官方(中国)官方网站的国际标准规定,在25°C和恒定流速的情况下,测量可重复性不应超过系统zui大偏差的1/3。若总误差预算为0.2%,则可重复性不应超过0.06%。若传感器占用了系统噪声预算的90%,则变送器电极的zui大误差应为60ppm。
若要zui大程度降低误差,可以对ADC样本求平均值。例如,对于五个样本,可以舍弃zui大样本和zui小样本,并对余下的三个样本求均值。ADC在每个建立的间隔期间都需要获取五个样本,并在励磁周期的zui后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。为了适应zui快的30Hz励磁,zui小采样速率需达到1500Hz。更高的采样速度允许对更多样本求均值,从而抑制噪声,获得更佳的精度。Σ-△技术非常适合用来满足这些对ADC的要求,以适当的速度提供出色的噪声性能。超低噪声Σ-△型 ADC AD7192适合电磁欧宝官方(中国)官方网站使用,该器件在4800Hz输出数据速率下具有16.5位无噪声分辨率额定值。表5显示该器件的有效分辨率与增益和输出数据速率的关系。
图11显示ADC子电路,包括解调器输出和微功耗、高精度2.5V基准电压源ADR3425。
某些应用(比如饮料灌装)需更高频率的传感器励磁。150Hz传感器线圈励磁允许在大约一秒时间内完成灌装过程。噪声要求不变,但ADC必须更快。Σ-△型 ADC AD7176-2的建立时间为20S,250kSPS时的无噪声分辦率为17位,50Hz和60Hz信号音的噪声抑制性能为85dB。
模拟信号链测试
此处所述之构建块用来在校准实验室内励磁和测试电磁流量传感器。在真实的流量系统中还测试了完整的前端,包括高CMRR输入级、带通滤波器和增益级。两块測试板在1m/s至5m/s范围内达到±0.2%精度,可重复性为0.055%,很好地满足了工业标准。电磁欧宝官方(中国)官方网站的信号链如图12所示。
传感器励磁和测量表示整体系统性能,因为电极产生的mV级信号最终转换为流量结果。流速信号通过多种协议传送至系统控制器,包括RS-485和4mA至20mA电流环路。电流环路的重要优势是它不受线路压降的影响,可以实现长距离通信,并且相比电压通信更不容易受到噪声干扰影响。在工厂自动化应用中,数字总线协议更为常用,使用差分电压模式信号通过较短的距离便可提供高速通信。图13显示4mA至20mA采样电路,使用HART"进行通信。图14显示隔离式RS-485解决方案。
为了保持用户界面的安全电压,并防止源信号产生瞬变,通常在每个通信通道与系统控制器之间需要进行电流隔离。表6列出的器件针对这些通信标准可提供zui高的集成度。
结论
电磁欧宝官方(中国)官方网站是目前使用zui为广泛的流量技术之一。主要用于液体流量測量,重点是自来水与污水处理系统,在欧洲尤为受欢迎。其主要的发展趋势是减少PCB面积和提升性能。系统性能取决于模拟输入模块,该模块需要用到高阻抗、低噪声、高CMRR输入放大器和低噪声、高分辨率Σ-ム型ADC。后续发展趋势表明需要用到速度更快的ADC。AD719x系列ADC满足当前的系统级要求,而AD776系列能够很好地满足未来的要求。ADI的高效率DC-DC调节器、集成式通信、高分辨率ADC、精密放大器以及高精度基准电压源可让设计人员实现新设计,并获得高于这些要求的性能。