作者：Ke Li和Colm Slattery

從煉油廠到自動(dòng)售貨機(jī)的工業(yè)應(yīng)用需要精確測(cè)量溫度、壓力和流量，以控制復(fù)雜而簡(jiǎn)單的過(guò)程。例如，在食品工業(yè)中，灌裝瓶子和罐頭時(shí)對(duì)流量的精確控制會(huì)直接影響利潤(rùn)，因此必須將流量測(cè)量誤差降至最低。同樣，貿(mào)易交接應(yīng)用，例如石油工業(yè)中儲(chǔ)罐和油輪之間的原油和精煉石油交換，需要高精度的測(cè)量。本文概述了流量計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)是電磁流量計(jì)，這是液體流量測(cè)量中最準(zhǔn)確的流量計(jì)之一。

圖1顯示了一個(gè)基本的過(guò)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用流量計(jì)和執(zhí)行器來(lái)控制液體流速。在最低級(jí)別，溫度、流速和氣體濃度等過(guò)程變量通過(guò)輸入模塊進(jìn)行監(jiān)控，該輸入模塊通常是可編程邏輯控制器 （PLC） 的一部分。信息通過(guò)比例-積分-微分 （PID） 循環(huán)在本地處理。利用這些信息，PLC 設(shè)置輸出以將過(guò)程控制在穩(wěn)定狀態(tài)。過(guò)程數(shù)據(jù)、診斷和其他信息可以傳遞到操作級(jí)別，命令、參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以傳遞到傳感器和執(zhí)行器。

圖1.測(cè)量和控制液體流量的基本系統(tǒng)。

許多不同的技術(shù)用于測(cè)量流速，包括差壓、科里奧利、超聲波和電磁。差壓流量計(jì)是最常見(jiàn)的，但它們對(duì)系統(tǒng)中的壓力變化很敏感?？评飱W利流量計(jì)可以提供最高的精度，高達(dá)0.1%，但它們體積大且價(jià)格昂貴。超聲波流量計(jì)體積小，成本低，但精度有限（典型值為0.5%）。超聲波流量計(jì)使用非侵入式測(cè)量技術(shù)，可提高可靠性并最大限度地減少傳感元件隨時(shí)間推移的退化，但它們不能用于臟污或受污染的液體。

電磁流量計(jì)還提供無(wú)創(chuàng)傳感。它們可用于酸性、堿性和電離流體，電導(dǎo)率范圍為 10 S/m 至 10–6S/m，以及清潔、臟污、腐蝕性、侵蝕性或粘性液體和漿料，但不適合用于碳?xì)浠衔锘驓怏w流量測(cè)量。它們可以在最小直徑約為0.2英寸，最大體積約為0立方英尺的低體積和高體積流速下實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的系統(tǒng)精度（125.10%），并且讀數(shù)在更慢的速度下仍可重復(fù)。它們可以測(cè)量上游或下游的雙向流量。表1比較了幾種常見(jiàn)的流量計(jì)技術(shù)。

表 1.工業(yè)流量計(jì)技術(shù)

電磁流量計(jì)使用法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律指出在通過(guò)磁場(chǎng)移動(dòng)的導(dǎo)體中將感應(yīng)電壓。液體作為導(dǎo)體;磁場(chǎng)由流管外的通電線圈產(chǎn)生。感應(yīng)電壓的大小與導(dǎo)體的速度和類(lèi)型、管的直徑和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，如圖2所示。

在數(shù)學(xué)上，我們可以將法拉第定律表述為 E = kBLV

其中 V 是導(dǎo)電流體的速度，B 是磁場(chǎng)強(qiáng)度，L 是拾取電極之間的間距，E 是電極兩端測(cè)量的電壓，k 是常數(shù)。B、L 和 k 要么是固定的，要么可以校準(zhǔn)，因此方程簡(jiǎn)化為 E ∝ V。

圖2.電磁流量計(jì)。

通過(guò)螺線管勵(lì)磁線圈的電流產(chǎn)生受控磁場(chǎng)。特定的激勵(lì)波形是電磁流量計(jì)的一個(gè)重要方面，使用了很多類(lèi)型，包括低頻矩形波、電力線頻率正弦波、雙頻波和可編程脈沖寬度。表2顯示了各種傳感器線圈激勵(lì)波形。

表 2.傳感器激勵(lì)類(lèi)型、波形和特性

大多數(shù)應(yīng)用使用低頻直流矩形以電源線頻率 （1 Hz/25 Hz） 的 1/16、1/10、1/8、1/4、1/2 或 50/60 激勵(lì)傳感器線圈。低頻激勵(lì)使用恒定幅度的交變方向電流來(lái)實(shí)現(xiàn)低零點(diǎn)漂移。電流方向通過(guò)晶體管或MOSFET H橋切換。當(dāng)SW1和SW4導(dǎo)通，SW2和SW3關(guān)閉時(shí)（圖3a），傳感器線圈在正相中被激勵(lì);恒流進(jìn)入EXC+并退出EXC-。當(dāng)SW1和SW4關(guān)閉，SW2和SW3導(dǎo)通時(shí)（圖3b），傳感器線圈在負(fù)相中被激勵(lì);恒定電流進(jìn)入EXC–并退出EXC+。

圖3.H橋控制傳感器線圈激勵(lì)相位。

與其他流量技術(shù)相比，電磁流量計(jì)的激勵(lì)電流往往相當(dāng)大，125 mA至250 mA涵蓋了線路供電流量計(jì)的大部分范圍。電流高達(dá) 500 mA 或 1 A 將用于更大直徑的管道。圖4顯示了一個(gè)可以產(chǎn)生精密250 mA傳感器線圈激勵(lì)的電路?；鶞?zhǔn)電壓源ADR3412為8 ppm/°C，提供1.2 V設(shè)定點(diǎn)來(lái)偏置電流。

圖4.線性穩(wěn)壓吸電流。

雖然這種使用基準(zhǔn)電壓源、放大器和晶體管電路進(jìn)行電流激勵(lì)的傳統(tǒng)方法提供了良好的性能和低噪聲，但由于大電壓兩端的大電流線性下降，它遭受了顯著的功率損耗。因此，它需要增加系統(tǒng)成本和面積的散熱器。帶開(kāi)關(guān)模式電源的恒流吸收器正成為激勵(lì)傳感器線圈的一種更流行的方式。圖5所示為ADP2441同步降壓DC-DC穩(wěn)壓器，配置為提供恒定電流輸出。這種技術(shù)消除了標(biāo)準(zhǔn)吸電流的損耗，大大提高了系統(tǒng)性能。

圖5.開(kāi)關(guān)模式恒流勵(lì)磁電路。

高功率系統(tǒng)使用電流檢測(cè)診斷功能來(lái)監(jiān)控電流隨負(fù)載、電源、時(shí)間和溫度的變化;并且還可以檢測(cè)開(kāi)路傳感器線圈。AD8219分流放大器可用于監(jiān)控激勵(lì)電流，在60 V共模范圍內(nèi)具有0 V/V增益和3.80%的精度。采用隔離式Σ-?調(diào)制器和軌到軌運(yùn)算放大器AD7400的隔離式電流放大器如圖8646所示。AD6輸出通過(guò)7400千-訂購(gòu)低通濾波器以重建檢測(cè)輸出。

圖6.隔離式激勵(lì)電流監(jiān)控。

電極或傳感元件也是一個(gè)重要的考慮因素。兩種主要的測(cè)量技術(shù)是電容式，電極安裝在管外;或者，更常見(jiàn)的是，將電極插入管中，與液體沖洗。

有許多不同的材料可供選擇，每種材料都有獨(dú)特的特性，包括溫度漂移、腐蝕速率和電極電位。最佳組合使用具有低腐蝕速率（<每年100.0英寸）的高溫材料（>02°C）。表3顯示了一些具有代表性的傳感器材料及其標(biāo)準(zhǔn)電壓電位。

表 3.傳感器材料和電壓電位

鉑金是高質(zhì)量電極材料的一個(gè)很好的例子;它的腐蝕速率每年低于 0.002 英寸，可以在高達(dá) 120°C 的環(huán)境中運(yùn)行。 然而，鉑的1.2 V電極電位相對(duì)較高，將成為傳感器輸出端需要抑制的共模電壓（CMV）。不銹鋼電極只有幾百毫伏的CMV，因此共模更容易被剔除。不銹鋼材料廣泛用于非腐蝕性流體。

如果兩個(gè)電極使用相同的材料并具有相同的表面條件，則它們應(yīng)出現(xiàn)相等的電位。然而，在現(xiàn)實(shí)中，由于流體和電極之間的物理摩擦或電化學(xué)效應(yīng)，極化電位作為低頻交流信號(hào)緩慢波動(dòng)。任何不匹配也會(huì)顯示為差模噪聲。偏置電壓與電極電位一起，為第一級(jí)放大器輸入提供幾百毫伏至約1 V的共模電壓，因此電子器件必須具有足夠的共模抑制。圖7顯示了0.28 V差分系統(tǒng)的單電極電位直流偏置和0.1 VP-P安裝在直徑 316 mm 的水管上的 #50 不銹鋼電極上的噪音。

圖7.差分系統(tǒng)中的電極電位為 0.28 V直流偏置和0.1 VP-P共模噪聲。

典型流速在 0.01 m/s 至 15 m/s 范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)范圍為 1500：1。典型的線路供電電磁流量計(jì)的靈敏度為 150 μV/（m/s） 至 200 μV/（m/s）。因此，150 μV/（m/s） 傳感器將提供 3 μVP-P 輸出和 0.01 m/s 雙向流量。對(duì)于2：1的信噪比，折合到輸入端的總噪聲不應(yīng)超過(guò)1.5 μVP-P。在直流至低頻范圍內(nèi)，流速變化非常緩慢，因此0.1 Hz至10 Hz噪聲帶寬至關(guān)重要。此外，傳感器的輸出電阻可能相當(dāng)高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具有低噪聲、高共模抑制和低輸入偏置電流。

傳感器的共模輸出電壓通過(guò)前端放大器的共模抑制而衰減。使用 120 dB CMR、0.28 V直流偏置降至0.28 μV直流.該偏移可以通過(guò)交流耦合信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)或消除。交流分量在放大器輸出端顯示為噪聲，降低了最低可檢測(cè)電平。120 dB CMR，0.1 VP-P降至 0.1 μVP-P.

傳感器輸出電阻從幾十歐姆到10歐姆不等7Ω取決于電極類(lèi)型和流體電導(dǎo)率。為了將損耗降至最低，前端放大器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于傳感器的輸出電阻。需要一個(gè)具有高輸入電阻的JFET或CMOS輸入級(jí)。前端放大器的低偏置電流和低失調(diào)電流是最大限度降低電流噪聲和共模電壓的關(guān)鍵參數(shù)。表4顯示了幾種推薦的前端放大器的規(guī)格。

表 4.代表性儀表放大器規(guī)格

圖8所示為使用AD8228精密儀表放大器的流量計(jì)。前端放大器抑制共模電壓，同時(shí)放大小傳感器信號(hào)。其匹配的布局和激光調(diào)整電阻使其能夠?yàn)樵鲆嬲`差、增益漂移和共模抑制提供有保證的規(guī)格。為了最大限度地降低漏電流，可以通過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣并將緩沖電壓連接到輸入信號(hào)路徑周?chē)奈雌帘巫呔€來(lái)保護(hù)高阻抗傳感器輸出。

第一級(jí)增益通常為10至20，但不會(huì)更高，因?yàn)榈碗娖叫盘?hào)必須放大以進(jìn)行后處理，同時(shí)保持較小的直流失調(diào)以避免下游級(jí)飽和。

圖8.前端放大器和電磁流量傳感器之間的接口。

輸入級(jí)之后是一個(gè)有源帶通濾波器，該濾波器去除直流分量并設(shè)置增益以充分利用下游ADC的動(dòng)態(tài)范圍。傳感器激勵(lì)頻率范圍在電源線頻率的 1/25 和 1/2 之間，設(shè)置帶通截止頻率。圖9顯示了流量計(jì)中使用的帶通濾波器。

圖9.帶通濾波器跟隨輸入放大器。

第一級(jí)是截止頻率為0.16 Hz的交流耦合單位增益高通濾波器。它的傳遞函數(shù)是

以下級(jí)與第一級(jí)相結(jié)合，形成一個(gè)完整的帶通濾波器，具有0.37 Hz低頻截止、37 Hz高頻截止、35.5 Hz時(shí)3.6 dB峰值、–40 dB/十倍頻程滾降和49 Hz噪聲等效帶寬。為此級(jí)選擇的放大器不得產(chǎn)生額外的系統(tǒng)噪聲。

使用低功耗精密運(yùn)算放大器AD8622，額定電壓為0.2 μVP-P1/f噪聲和11 nV/√Hz寬帶噪聲，折合到濾波器輸入端的噪聲為15 nV rms。當(dāng)折合到放大器輸入端時(shí)，該噪聲變?yōu)?.5 nV rms，與±1.5 μV相比可以忽略不計(jì)。P-P0.01 m/s 流速時(shí)的噪聲。將來(lái)自共模電壓、前端放大器和帶通濾波器的噪聲源相加，折合到AD8228輸入端的和方根噪聲為0.09 μV rms，或約0.6 μVP-P.

濾波器輸出包含振幅中的流速和相位中的流向。雙極性信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)、保持電容和差動(dòng)放大器進(jìn)行解調(diào)，如圖10所示。模擬開(kāi)關(guān)必須具有低導(dǎo)通電阻和中等開(kāi)關(guān)速度。ADG5412是一款高壓、防閂鎖、四通道SPST開(kāi)關(guān)，典型R為9.8 Ω上和 1.2 Ω R上平坦度，幾乎不會(huì)給信號(hào)增加增益誤差或失真。

圖 10.同步解調(diào)電路。

低功耗、低成本、單位增益差動(dòng)放大器AD8276與具有5 V滿量程輸入范圍的ADC接口。因此，其REF引腳連接到一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，該基準(zhǔn)電壓源將雙極性輸出電平轉(zhuǎn)換至單極性范圍。高于2.5 V的輸出表示正向流動(dòng)，而低于2.5 V的輸出表示反向流動(dòng)。

選擇ADC

在確定系統(tǒng)誤差預(yù)算時(shí)，傳感器通常占主導(dǎo)地位，可能占總誤差的80%至90%。電磁流量計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在1°C和恒定流速下，測(cè)量重復(fù)性不應(yīng)超過(guò)最大系統(tǒng)偏差的3/25?？傉`差預(yù)算為0.2%時(shí)，重復(fù)性不應(yīng)超過(guò)0.06%。如果傳感器占該預(yù)算的90%，則變送器電子元件的最大誤差必須為60 ppm。

為了最小化誤差，我們可以對(duì)ADC樣本進(jìn)行平均。例如，對(duì)于每五個(gè)樣本，丟棄最大值和最小值，并對(duì)其余三個(gè)樣本求平均值。ADC需要在每個(gè)建立間隔內(nèi)獲取10個(gè)樣本，這發(fā)生在激勵(lì)周期的最后50%。這就要求ADC采樣速率至少是傳感器激勵(lì)頻率的30倍。為了適應(yīng) 1500 Hz 的最快激勵(lì)，最小采樣率需要為 <> Hz。 更快的采樣將允許對(duì)更多的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行平均，以抑制噪聲并實(shí)現(xiàn)更高的精度。

這些ADC要求非常適合Σ-?技術(shù)，該技術(shù)可在中等速度下提供出色的噪聲性能。超低噪聲Σ-?型ADCAD7192非常適合電磁流量計(jì)，因?yàn)樗?6 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下具有5.4800位無(wú)噪聲分辨率。表5顯示了其有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

表 5.AD7192 有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率

的關(guān)系

圖11所示為ADC子電路，包括解調(diào)器輸出和ADR3425微功耗、高精度2.5 V基準(zhǔn)電壓源。

圖 11.模數(shù)轉(zhuǎn)換器子電路。

某些應(yīng)用，如飲料灌裝，需要更高頻率的傳感器激勵(lì)。150 Hz 傳感器線圈激勵(lì)允許在大約一秒鐘內(nèi)完成灌裝過(guò)程。噪聲要求保持不變，但ADC必須更快。AD7176-2 Σ-? ADC建立時(shí)間為20 μs，在17 kSPS時(shí)具有250位無(wú)噪聲分辨率，在85 Hz和50 Hz音調(diào)下具有60 dB抑制。

模擬信號(hào)鏈測(cè)試

這里描述的構(gòu)建模塊用于在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中激勵(lì)和測(cè)試電磁流量傳感器。完整的前端，包括高CMRR輸入級(jí)、帶通濾波器和增益級(jí)，也在實(shí)際流量系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試。兩塊測(cè)試板在 0 m/s 至 2 m/s 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 ±1.5% 的精度，重復(fù)精度為 0.055%。這與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)。電磁流量計(jì)的信號(hào)鏈如圖12所示。

圖12.電磁流量計(jì)。

傳感器激勵(lì)和測(cè)量決定了整體系統(tǒng)性能，因?yàn)樵陔姌O上產(chǎn)生的毫伏信號(hào)最終會(huì)轉(zhuǎn)換為流動(dòng)結(jié)果。流量通過(guò)多種協(xié)議傳送到系統(tǒng)控制器，包括 RS-485 和 4mA 至 20mA 電流環(huán)路。電流環(huán)路的主要優(yōu)點(diǎn)是不受接線中壓降的影響，可以長(zhǎng)距離通信，并且比電壓通信更不容易受到噪聲干擾。在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中，數(shù)字總線協(xié)議更為常見(jiàn)，使用差分電壓模式信號(hào)在較短距離內(nèi)提供高速通信。圖13顯示了采用HART通信的4 mA至20 mA信號(hào)電路。圖14所示為隔離式RS-485解決方案。?

圖 13.4mA 至 20mA 電流環(huán)路，帶 HART。

圖 14.隔離式RS-485電路。

為了在用戶界面上保持安全電壓并防止瞬變從電源傳輸，通常需要在每個(gè)通信通道和系統(tǒng)控制器之間進(jìn)行電氣隔離。表 6 顯示了為這些通信標(biāo)準(zhǔn)提供最高集成度的組件列表。

表 6.用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集

的集成電路

結(jié)論

電磁流量計(jì)是當(dāng)今最常用的流量技術(shù)類(lèi)型之一。它們?cè)谝后w流量測(cè)量中占主導(dǎo)地位，并且由于專(zhuān)注于廢物管理系統(tǒng)而在歐洲特別受歡迎。主要趨勢(shì)是PCB面積的減小和更高的性能。系統(tǒng)性能由模擬輸入模塊決定，因此需要高阻抗、低噪聲、高CMRR輸入放大器和低噪聲、高分辨率Σ-?ADC。未來(lái)的趨勢(shì)將決定對(duì)更快ADC的需求。AD719x系列ADC適合當(dāng)前的系統(tǒng)級(jí)要求，而AD7176系列則完全能夠滿足未來(lái)的要求。ADI公司的高效DC-DC穩(wěn)壓器、集成通信、高分辨率ADC、精密放大器和高精度基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)品組合將使設(shè)計(jì)人員能夠在新設(shè)計(jì)中超越這些要求。

審核編輯：郭婷