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智能电磁流量计

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浅析关于智能电磁流量计的设计与开发应用

来源:作者:发表时间:2019-09-09 15:36:17

测量流体流量是许多行业过程控制的重要要求。精度和准确度的要求取决于应用,即水管理与瓶子灌装。有许多技术可用于测量流量,包括差分超声波,科里奥利,差压和电磁流量计。
 
其中,电磁流量计也称为“电磁流量计”,是**常用的流量测量系统之一。由于其无创感应,它特别适用于测量难以腐蚀的流体。无论流体温度,压力,密度和方向如何,电磁流量计都可提供测量。虽然它们对非导电和非磁性流体有限制,但它们广泛用于水,废物,造纸,化学,采矿和食品工业。
 
在这篇博客中,我们将讨论电磁流量计的基本知识以及相同的流量测量和仪表。
 
电磁流量计 - 基础知识
电磁流量计背后的关键原理是法拉第电磁感应定律。该定律表明在通过磁场移动的导体中将感应出电压。感应电压的大小与导体的速度,导体的长度和磁场强度成正比。
 
在数学上我们可以表达法拉第定律
 
E = kBLV
 
 哪里,
 
“k”是可以为器件校准的比例常数
 
“B”是磁场强度
 
“L”是电极之间的间距(流量管直径)
 
“V”是导电流体的速度
 
“E”是跨电极测量的电压。
 
使用上述原理,电磁流量计产生的电流通过励磁线圈产生磁场。通过场的流体产生与使用电极捕获并测量的速度成比例的电动势。整个系统架构将在下一节中介绍。
 
Magmater架构
电磁流量计主要是嵌入式系统,其分为七个功能单元,如下所述。
 
下图描绘了电磁流量计的架构。
 

20190909153642.jpg

 
流管容纳励磁线圈和与移动的导电流体直接电接触的电极。电极吸收流体中存在的电压。电极元件是重要的考虑因素。对于具有不同温度漂移,腐蚀速率和电极电位特性(包括铂,SS等)的电极元件,有许多选择。相同的选择取决于所测量的流体类型以及所需的耐久性。
 
线圈激励单元产生电流,该电流根据来自处理单元的控制信号激励励磁线圈,以产生受控磁场。不同类型的激励信号及其结构将在下一节中描述。
 
信号调节单元将流量管电极输出转换为用于流量测量的重要可测量信号。在后面的章节中将解释相同的仪器。
 
处理单元是电磁流量计的核心。线圈激励单元的控制信号由处理单元提供。它还可以处理从调节系统获得的信号,具有各种统计和数学公式,并为IO和用户界面提供**终流量读数。
 
IO接口支持向现有外部设备提供流信息。有许多输出格式可用于与外部设备通信,如脉冲输出,电流或电压输出,继电器输出,RS485 / RS232串行通信等。除输出接口外,流量计还可支持连接外部变送器,传感器或换能器作为增值选项。通过这些外部传感器或变送器接口,流量计还可以提供其他信息,如温度,压力等。
 
LCD显示器,键盘,LED等用户界面提供手动操作,如在现场设置,编辑流量计配置。
 
电源单元提供稳定的电源,因为它决定了测量的质量。电磁流量计可能由交流电源或电池供电。智能电源管理和元件选择对于电池电流表的长电池寿命是必要的。
 
流量仪表
在本节中,我们将讨论电磁流量测量和仪器仪表。IO,用户界面和电源等流量计的其他单元不在本博客的范围内。
 
线圈激发
有不同的技术可用于激励场线圈,每个场线圈具有不同程度的复杂性和误差校正,如下所述
 
直流电流激励:**旧的激励技术,用于通过使用恒定直流电流驱动励磁线圈来产生磁场。在这种类型的技术中,由于固有的误差累积,测量的质量是有限的。
 
交流正弦波:在这种技术中,励磁线圈由交流激励驱动。该技术具有诸如电磁干扰和零点漂移的缺点。
 
低频DC矩形:**常用的技术,其中励磁线圈使用恒定幅度激励,交替方向电流以实现低零点漂移。
 
三态低频DC:这种类型的激励类似于低频直流矩形激励,但占空比减小到矩形的一半左右。利用这种方法,在没有激励电流的情况下完成零点校准。这种类型的激励也消耗更少的功率。
 
双频:在这种类型中,通常以更高的频率调制1/8的电源线频率,以有效地降低噪声。该方法提供快速响应,但与先前的激励类型相比,其操作复杂。
 
如前所述,有许多方法可以实现上述每种激励技术。其中,**常用的是使用具有恒定电流吸收电路的MOSFET H桥的低频DC矩形激励。
 
晶体管或MOSFET H桥可用于切换恒定电流的方向。利用MOSFET H桥电路,励磁线圈将同时在正相和负相激励。H桥的控制信号由处理单元提供。激励频率为电源线频率的1 / 16,1 / 10,1 / 8,1 / 4或1/2。
 
下图显示了低频直流励磁的波形。
20190909153655.jpg
低频激励
 
励磁线圈的励磁电流应该是恒定的,并且液位可以根据流管的直径而变化。对于较大直径,可能需要从大约150mA的电流水平到大直径的大约1A的电流水平。
 
由于电流应该是恒定的,因此需要可靠且精确的电流吸收电路。传统的恒流灌电流方法是使用线性稳压电流吸收电路。该电路需要固定电压基准,运算放大器,晶体管和电流设定电阻。该电路与H桥一起提供良好的性能和低噪声。但该电路的缺点是由于大电压上的大电流线性下降导致的功率损耗。因此需要散热器,这增加了额外的成本和PCB面积。
 
下图描绘了使用线性调节电流吸收电路的线圈激励单元的示例电路模型。
20190909153741.jpg
电磁流量线圈励磁电路
 
该电路的**佳替代方案是带开关模式电源的恒流吸收器。该技术消除了损耗并提高了系统性能。
 
通过一些修改,上述电路可以扩展到与三态和双频激励一起使用。
 
信号调节
信号调理电路需要**精心的仪器设计,因为它决定了测量的准确性。流体中感应的电动势由流量管中的传感器电极接收,并通过屏蔽铜缆传送到几厘米到几米的任何地方。该信号具有以下特征:
 
基于流速,感应的信号可以从几uV变化到几mV,动态范围大于1000。
由于诸如电化学反应等的影响,在流量管中引入了大量噪声。
由于管和电子设备之间的电缆长度较大,因此从电源线,相邻仪表和系统等其他来源引入更多噪声。在某些环境中,即使人走过电缆,也会产生噪音。
可以从电极之间的电压差获得与流动相关的信息。为了处理这样的传感器信号,不管电极材料如何,信号调理电路必须执行以下任务,
 
拒绝共模电压
放大低电平电极信号
过滤DC分量并进一步放大
电平转换以识别正向流动或反向流动
通常,电路的总增益约为450至600.流量计中的大多数信号调理电路在两个或三个阶段中执行这些任务。以下小节说明了电极信号调节的三阶段方法。
 
输入阶段
在输入级,拒绝共模电压,并以小增益放大电极信号。输入级过程必须使用具有以下特性的精密仪表放大器完成,
 
匹配布局和激光调整电阻,用于低增益误差,增益漂移和高共模抑制。
高输入阻抗,**大限度地减少电极和放大器之间无法匹配的阻抗造成的损耗。
低偏置电流和低偏移电流可**大限度地降低电流噪声和共模电压。
过滤和放大阶段
在这个阶段,DC分量和较高频率的噪声被有源带通滤波器或级联放大器去除。此外,滤波的信号被放大,使得信号值被扩展以占据所使用的ADC的全电压范围。需要仔细设计这个阶段,以防止来自不感兴趣的频段的不需要的信号以及该阶​​段固有的噪声。
 
水平转移
前一阶段的输出提供了有关流量的信息。信号的幅度反映了流体速度。如果输出与线圈激励同相,则指示流动方向,并且异相标记以相反方向流动。
 
该信号是双极性的,可以使用通常固定ADC参考值一半的小电压转换为单极性。
 
实现此目的的**简单方法之一是使用提供固定参考电压和双极性信号的简单加法器电路。输出可以直接馈送到ADC。例如,对于满量程输入范围为2.5V的ADC,固定参考电压可以为1.25V。如果ADC值高于1.25V,则流量在一个方向,如果低于1.25V,则流量方向相反。
 
设计注意事项
在电磁流量计的设计和开发过程中需要注意的一些方面包括
 
必须使用低阻抗源驱动单位增益差分放大器的参考端。从高阻抗源驱动将导致差的CMR。使用低阻抗源的简单方法是使用运算放大器缓冲器进行驱动。
在增益设置阶段选择高精度电阻,如输入级,滤波和放大级。
不要将未使用的运算放大器部分留在电路中。
也可以从AC电源线引入振荡和噪声。流量管和电子设备的正确接地将有助于**大限度地减少相同的流量。
基于流体和传感器类型,每个传感器中可能存在不同的DC积累。必须注意拒绝这一点并仅处理感兴趣的信号分量。
必须使用高精度和精确的ADC,以获得更好的可靠性和准确性。
流量测量
处理单元需要结合智能算法以改进信号处理。在找到流速之后,可以基于流量管直径容易地计算实际流量。IO,用户界面等其他设备的设计非常简单,因为它们主要是数字电路,而不是线圈/传感器调节中的模拟电路。
 
本博客应首先简要介绍电磁流量计的设计和开发。通过精心设计仪表电路,可以在电磁流量计中实现高精度。可以探索更多的功能,如可变增益,不同类型的激励,以进一步提高性能。