【導(dǎo)讀】從煉油廠到自動(dòng)售貨機(jī)等工業(yè)應(yīng)用要求具有精確的溫度、壓力 和流量測(cè)量，以控制復(fù)雜以及簡(jiǎn)單過(guò)程。例如，在食品行業(yè)，產(chǎn)品裝瓶和裝罐的流量精確控制會(huì)直接影響利潤(rùn)，因此必須最大程度降低流量測(cè)量誤差。類似地，封閉運(yùn)輸應(yīng)用——比如石油工業(yè)中油罐和油罐車(chē)之間的原油和成品油交換——需要高精度測(cè)量。本文提供流量計(jì)技術(shù)概述，重點(diǎn)討論液體流量測(cè)量中精度最高之一的電磁流量計(jì)。
圖 1 顯示采用流量計(jì)和執(zhí)行器控制液體流速的基本過(guò)程控制系統(tǒng)。在最低的水平處，諸如溫度、流速和氣體濃度等過(guò)程變量通過(guò)輸入模塊監(jiān)控，該模塊通常是可編程邏輯控制器(PLC)的一部分。這些信息由比例-積分-微分(PID)環(huán)路在內(nèi)部處理。PLC利用這些信息來(lái)設(shè)置輸出，控制穩(wěn)態(tài)過(guò)程。過(guò)程數(shù)據(jù)、診 斷和其他信息可向上傳遞至操作層，而命令、參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可向下傳遞至傳感器和執(zhí)行器。
圖 1. 測(cè)量和控制液體流速的基本系統(tǒng)
采用多種不同技術(shù)測(cè)量流速，包括差壓、科氏力、超聲和電磁等。最常用的是差壓流量計(jì)，但它們對(duì)系統(tǒng)中的壓力變化較為敏感。科氏流量計(jì)具有最高的精度(高達(dá) 0.1%)，但它們體積較大且成本高昂。超聲流量計(jì)通常體積較小、成本較低，但精度有限(典型值為 0.5%)。超聲流量計(jì)采用無(wú)創(chuàng)測(cè)量技術(shù)， 提升可靠性的同時(shí)最大程度減少了隨時(shí)間變化的檢測(cè)要素的影響，但無(wú)法用于臟水或遭到污染的液體。
電磁流量計(jì)也能提供無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。這些設(shè)備可用于酸性、堿性和離子液體——這些液體的電導(dǎo)率范圍為 10 S/m至 10–6 S/m，并且可以是干凈、骯臟、腐蝕性、侵蝕性或粘性的液體或漿體，但不適用于碳?xì)浠衔锘驓怏w流量測(cè)量。它們能夠針對(duì)直徑小至大約 0.125 英寸、最大容量為 10 立方英尺的低流速和高流速提供相對(duì)較高的系統(tǒng)精度(0.2%)，并且哪怕在更低的流速下也能保持讀數(shù)的可重復(fù)性。它們可以測(cè)量雙向流量，即上游或下游。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)采用法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律指出，在磁場(chǎng)中移動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。液體可看作導(dǎo)體；磁場(chǎng)由流管外的通電線圈產(chǎn)生。感應(yīng)電壓幅度直接與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和導(dǎo)體類型、流管直徑以及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，如圖 2 所示。
法拉第定律在數(shù)學(xué)上可以表示為：E = kBLV
其中，V表示導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)速度；B表示磁場(chǎng)強(qiáng)度；L表示拾取電極之間的間距；E表示電極兩端測(cè)得的電壓；k為常數(shù)。B、L和k可以是固定值，也可以進(jìn)行校準(zhǔn)，從而等式簡(jiǎn)化為：E ∝ V。
圖 2. 電磁流量計(jì)
流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流產(chǎn)生受控磁場(chǎng)。專用勵(lì)磁波形是電磁流量計(jì)的一個(gè)重要方面，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使用多種類型，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 顯示各種傳感器線圈的勵(lì)磁波形。
表 2. 傳感器勵(lì)磁類型、波形和特性
大部分應(yīng)用采用低頻直流矩形波勵(lì)磁 ⁄25、 ⁄16、 ⁄10、 ⁄8、 ⁄4 或⁄2 電力線頻率(50 Hz/60 Hz)的傳感器線圈。低頻勵(lì)磁具有恒定的幅度和方向交替變化的電流，實(shí)現(xiàn)低頻零漂移性能。電流方向采用晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管H電橋進(jìn)行切換。若SW1 和SW4 導(dǎo)通，而SW2 和SW3 關(guān)閉(圖 3a)，則傳感器線圈處于正相位勵(lì)磁期間；同時(shí)，恒定電流進(jìn)入EXC+并流出EXC– 。若SW1和SW4 關(guān)閉，而SW2 和SW3 導(dǎo)通(圖 3b)，則傳感器線圈處于負(fù)相位勵(lì)磁期間；同時(shí)，恒定電流進(jìn)入EXC–并流出EXC+。
圖 3. H 電橋控制傳感器線圈勵(lì)磁相位
電磁流量計(jì)的勵(lì)磁電流相比其他流量測(cè)量技術(shù)而言非常大，其范圍為 125 mA至 250 mA，覆蓋線路供電式流量計(jì)的主要范圍。高達(dá) 500 mA或 1 A的電流將用于直徑更大的管道。圖 4所示電路可以產(chǎn)生精密 250 mA傳感器線圈勵(lì)磁。8 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源ADR3412 提供實(shí)現(xiàn)電流偏置的 1.2 V設(shè)定點(diǎn)。
圖 4. 線性調(diào)節(jié)吸電流
雖然這種傳統(tǒng)的電流勵(lì)磁方法采用基準(zhǔn)電壓源、放大器和晶體管電路提供良好的低噪聲性能，但該方法由于經(jīng)過(guò)功率晶體管的電流和其兩端的電壓降都很大，因此功率損失極大。該方法需要使用散熱器，從而增加了系統(tǒng)成本和尺寸。具有開(kāi)關(guān)模式電源的恒流源正成為更流行的傳感器線圈勵(lì)磁方法。圖 5 顯示同步降壓DC-DC調(diào)節(jié)器 ADP2441 配置為恒流源輸出。這項(xiàng)技術(shù)可以消除使用線性電流源的功率損失，并可極大地改善 系統(tǒng)性能。
圖 5. 開(kāi)關(guān)模式恒定電流勵(lì)磁電路
功率更高的系統(tǒng)采用電流檢測(cè)診斷功能監(jiān)測(cè)隨負(fù)載、電源、時(shí)間和溫度變化的電流改變，同時(shí)還能檢測(cè)傳感器線圈開(kāi)路。分流放大器AD8219 可用來(lái)監(jiān)測(cè) 80 V共模電壓范圍內(nèi) 60 V/V增益和 0.3%精度的勵(lì)磁電流。隔離式電流放大器采用隔離式Σ-?調(diào)制器 AD7400A 以及軌到軌運(yùn)算放大器 AD8646 如圖 6 所示。AD7400 的輸出通過(guò)四階低通濾波器處理，以便重構(gòu)檢測(cè)輸出。
圖 6. 隔離式勵(lì)磁電流監(jiān)控
電極或檢測(cè)元件同樣也是重要的考慮因素。兩種主要的測(cè)量技術(shù)都是容性的，一種是電極安裝在管道外面；另一種更常見(jiàn)，即電極插入管道中，并由液體沖刷。
傳感器電極有多種不同的材料選項(xiàng)，每一種都有獨(dú)特的屬性，包括溫度漂移、腐蝕率和電極電位。最佳組合是采用低腐蝕率（每年<0.02 英寸）的高溫材>100°C)。表 3 顯示部分具有代表性的傳感器材料，及其標(biāo)準(zhǔn)電位。
表 3. 傳感器材料和電位
鉑是高質(zhì)量電極材料的一個(gè)極佳示例，它的腐蝕率低于每年0.002 英寸，并且可在高達(dá) 120°C的環(huán)境溫度下工作。然而鉑具有相對(duì)較高的 1.2 V電極電位，并且會(huì)產(chǎn)生需要在傳感器輸出端進(jìn)行抑制的共模電壓(CMV)。不銹鋼電極的CMV僅為幾百mV，因而可以更為輕松地抑制共模電壓。在非腐蝕性流體 中，不銹鋼材料的使用更為廣泛。
如果兩個(gè)電極采用相同的材料，并且具有相同的表面狀況，那么它們的電位應(yīng)當(dāng)相等。然而，事實(shí)上，極化電位會(huì)像低頻交流信號(hào)那樣緩慢波動(dòng)，因?yàn)榱黧w和電極之間存在物理摩擦或電化學(xué)效應(yīng)。任何失配都將表現(xiàn)為差模噪聲。偏置電壓與電極電位共同組成共模電壓，在第一級(jí)放大器輸入端產(chǎn)生幾百mV至大約1 V的共模電壓；因此，電子器件必須具有適當(dāng)?shù)墓材Ｒ种颇芰ΑD7顯示差分系統(tǒng)的單電極電位，該系統(tǒng)#316不銹鋼電極的偏置為0.28 VDC，噪聲為0.1 VP-P；電極安裝在直徑為50 mm的水管上。
圖 7. 偏置為 0.28 VDC b、共模噪聲為 0.1 VP-P 系統(tǒng)中的電極電位
典型流速范圍為 0.01 m/s至 15 m/s——即動(dòng)態(tài)范圍為 1500:1。典型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，雙向流速為 0.01 m/s時(shí)，150 µV/(m/s)傳感器將提供 3 µVP-P 輸出。對(duì)于 2:1 的信噪比而言，折合到輸入端的總噪聲不應(yīng)超過(guò) 1.5 µVP-P。在直流到低頻范圍內(nèi)，流速的變化十分緩慢，因此 0.1 Hz至 10 Hz噪聲帶寬非常重要。此外，傳感器輸出電阻可以非常高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具備較低的噪聲、較高的共模抑制能力，以及較低的輸入偏置電流。
傳感器的共模輸出電壓由前端放大器的共模抑制進(jìn)行衰減。若CMR為 120 dB，則 0.28 VDC 偏置被抑制到 0.28 µVDC。該失調(diào) 可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合而校準(zhǔn)或消除。交流分量會(huì)在放 大器輸出端產(chǎn)生噪聲，降低最低可檢測(cè)水平。若CMR為 120 dB，則 0.1 VP-P 被抑制到 0.1 µVP-P。
傳感器輸出電阻在幾十Ω至 107 Ω之間變化，具體取決于電極類型和流體導(dǎo)電率。為了最大程度降低損失，前端放大器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于傳感器的輸出電阻。需要用到一個(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)電流是最大程度降低電流噪聲和共模電壓的關(guān)鍵參數(shù)。表 4 顯示數(shù)個(gè)推薦前端放大器的規(guī)格。
表 4. 代表性儀表放大器規(guī)格
圖 8 顯示采用精密儀表放大器 AD8228 的流量計(jì)。前端放大器抑制共模電壓，同時(shí)放大微弱的傳感器信號(hào)。該流量計(jì)合理的布局以及經(jīng)激光調(diào)整的電阻允許其提供有保證的增益誤差、增益漂移和共模抑制規(guī)格。為了最大程度降低泄漏電流，可以通 過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，并將緩沖電壓連接至輸入信號(hào)路徑周?chē)奈雌帘巫呔€，從而保護(hù)高阻抗傳感器輸出。
第一級(jí)的增益通常為 10 至 20，但不會(huì)更高，因?yàn)榈碗娖叫盘?hào)必須經(jīng)過(guò)放大才能進(jìn)行后期處理，同時(shí)保持較小的直流失調(diào)，避免后級(jí)電路飽和。
圖 8. 前端放大器和電磁流量傳感器之間實(shí)現(xiàn)接口
輸入級(jí)后接有源帶通濾波器，可用來(lái)消除直流分量，并將增益設(shè)為充分利用后級(jí)ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍。傳感器勵(lì)磁頻率范圍為電源線頻率的 1⁄25 至 1⁄2，據(jù)此可設(shè)置帶通截止頻率。圖9 顯示流量計(jì)中使用的帶通濾波器。
圖 9. 輸入放大器后接帶通濾波器
第一級(jí)是一個(gè)交流耦合單位增益高通濾波器，截止頻率為 0.16Hz。其傳遞函數(shù)為：
隨后幾級(jí)結(jié)合第一級(jí)形成完整的帶通濾波器，其低頻截止頻率為 0.37 Hz，高頻截止頻率為 37 Hz，3.6 Hz時(shí)的峰值為 35.5 dB，滾降為–40 dB/十倍頻程，等效噪聲帶寬為 49 Hz。針對(duì)該級(jí)選擇的放大器一定不能產(chǎn)生額外的系統(tǒng)噪聲。
Using the AD8622——其 1/f噪聲額定值為0.2 µVP-P，寬帶噪聲額定值為 11 nV/√Hz——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)?1.5 nV rms，與 0.01 m/s流速下的±1.5 µV P-P 噪聲相比可以忽略不計(jì)。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，則折合到AD8228 輸入端的方和根噪聲為 0.09 µV rms，或者約 為 0.6 µV P-P。
濾波器輸出在幅度中包含流速，在相位中包含流向。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)必須具有較低的導(dǎo)通電阻和中等開(kāi)關(guān)速度。高壓防閂鎖型四通道單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān) ADG5412具有 9.8 Ω RON 典型值和1.2 Ω R ON 平坦度，對(duì)信號(hào)造成的增益誤差和失真很小
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以 5 V滿量程輸入范圍與ADC實(shí)現(xiàn)接口。因此，其REF引腳連接 2.5 V基準(zhǔn)電壓源，并對(duì)雙極性輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換處理，將其轉(zhuǎn)換為單極性范圍。高于 2.5 V的輸出表示正向流動(dòng)，而低于 2.5 V則表示 反向流動(dòng)。
選擇 ADC
確定系統(tǒng)誤差預(yù)算時(shí)，通常傳感器是主導(dǎo)的因素，并且很多傳感器都會(huì)占到總誤差的 80%至 90%。電磁流量計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在 25°C和恒定流速的情況下，測(cè)量可重復(fù)性不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)最大偏差的 1/3。若總誤差預(yù)算為 0.2%，則可重復(fù)性不應(yīng)超過(guò) 0.06%。若傳感器占用了系統(tǒng)噪聲預(yù)算的 90%，則變送器電極的最大誤差應(yīng)為 60 ppm.
若要最大程度降低誤差，可以對(duì)ADC樣本求平均值。例如，對(duì)于五個(gè)樣本，可以舍棄最大樣本和最小樣本，并對(duì)余下的三個(gè)樣本求均值。ADC在每個(gè)建立的間隔期間都需要獲取五個(gè)樣本，并在勵(lì)磁周期的最后 10%期間獲取。這要求ADC的采樣 速率至少是傳感器勵(lì)磁頻率的 50 倍。為了適應(yīng)最快的 30 Hz勵(lì)磁，最小采樣速率需達(dá)到 1500 Hz。更高的采樣速度允許對(duì)更多樣本求均值，從而抑制噪聲，獲得更佳的精度。
Σ-?技術(shù)非常適合用來(lái)滿足這些對(duì)ADC的要求，以適當(dāng)?shù)乃俣忍峁┏錾脑肼曅阅堋３驮肼?Sigma;-?型ADCAD7192 適合電磁流量計(jì)使用，該器件在 4800 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下具有 16.5 位無(wú)噪聲分辨率額定值。表 5 顯示該器件的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 顯示ADC子電路，包括解調(diào)器輸出和微功耗、高精度 2.5V基準(zhǔn)電壓源ADR3425。
圖 11. ADC子電路
某些應(yīng)用（比如飲料灌裝）需更高頻率的傳感器勵(lì)磁。150 Hz傳感器線圈勵(lì)磁允許在大約一秒時(shí)間內(nèi)完成灌裝過(guò)程。噪聲要求不變，但ADC必須更快。Σ-?型ADCAD7176-2 Σ的建立時(shí)間為 20 µs，250 kSPS時(shí)的無(wú)噪聲分辨率為 17 位，50 Hz和 60 Hz信號(hào)音的噪聲抑制性能為 85 dB。
模擬信號(hào)鏈測(cè)試
此處所述之構(gòu)建塊用來(lái)在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)勵(lì)磁和測(cè)試電磁流量傳感器。在真實(shí)的流量系統(tǒng)中還測(cè)試了完整的前端，包括高CMRR輸入級(jí)、帶通濾波器和增益級(jí)。兩塊測(cè)試板在 1 m/s至 5 m/s范圍內(nèi)達(dá)到±0.2%精度，可重復(fù)性為 0.055%，很好地滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電磁流量計(jì)的信號(hào)鏈如圖 12 所示。
圖 12. 電磁流量計(jì)
傳感器勵(lì)磁和測(cè)量表示整體系統(tǒng)性能，因?yàn)殡姌O產(chǎn)生的mV級(jí)信號(hào)最終轉(zhuǎn)換為流量結(jié)果。流速信號(hào)通過(guò)多種協(xié)議傳送至系統(tǒng)控制器，包括RS-485 和 4 mA至 20 mA電流環(huán)路。電流環(huán)路的重要優(yōu)勢(shì)是它不受線路壓降的影響，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，并且相比電壓通信更不容易受到噪聲干擾影響。在工廠自動(dòng)化應(yīng) 用中，數(shù)字總線協(xié)議更為常用，使用差分電壓模式信號(hào)通過(guò)較短的距離便可提供高速通信。圖 13 顯示 4 mA至 20 mA采樣電路，使用HART®圖 14 顯示隔離式RS-485 解決方案。
圖 13. 集成HART的4 mA至20mA電流環(huán)路
圖 14. 隔離式 RS-485 電路
為了保持用戶界面的安全電壓，并防止源信號(hào)產(chǎn)生瞬變，通常在每個(gè)通信通道與系統(tǒng)控制器之間需要進(jìn)行電流隔離。表6 列出的器件針對(duì)這些通信標(biāo)準(zhǔn)可提供最高的集成度。
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)是目前使用最為廣泛的流量技術(shù)之一。主要用于液 體流量測(cè)量，重點(diǎn)是自來(lái)水與污水處理系統(tǒng)，在歐洲尤為受歡 迎。其主要的發(fā)展趨勢(shì)是減少PCB面積和提升性能。系統(tǒng)性能 取決于模擬輸入模塊，該模塊需要用到高阻抗、低噪聲、高 CMRR輸入放大器和低噪聲、高分辨率Σ-?型ADC。后續(xù)發(fā)展 趨勢(shì)表明需要用到速度更快的ADC。AD719x系列ADC滿足當(dāng) 前的系統(tǒng)級(jí)要求，而AD7176 系列能夠很好地滿足未來(lái)的要求。 ADI的高效率DC-DC調(diào)節(jié)器、集成式通信、高分辨率ADC、精 密放大器以及高精度基準(zhǔn)電壓源可讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)，并 獲得高于這些要求的性能。
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