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智能电磁流量计

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电磁流量计如何才能更快地响应行业需求以及提高效率?

来源:作者:发表时间:2019-02-15 15:37:30

通过增加传感器激励频率,可以提高流量测量的系统更新速率。在这种情况下,传感器输出稳定的时间较短,因此平均可用样本较少。使用噪声较低的ADC,可以进一步降低传感器输出噪声。使用相同的前端驱动器AD8220,增益×10,模拟前端性能可以在更高的更新速率下与领先的竞争对手进行基准测试。表4和图11显示了ADI在较高系统更新速率下与最接近的竞争对手相比获得的优势。

 

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电磁流量计放大器是否能够直接驱动ADC,我该如何确定?
通常,这取决于仪表放大器的驱动能力和ADC的输入结构。许多现代精密ADC都基于开关电容架构。片上采样保持器作为上游放大器的瞬态负载,它必须能够稳定开关电容器输入以实现精确采样。

 

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以下公式可用于检查放大器是否用于驱动ADC。

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哪里:

BW是放大器驱动ADC所需的最小带宽。

MCLK是ADC调制器时钟频率,赫兹。

T是短路阶段时间,秒。

FS是ADC全模拟输入范围,伏特。

CMV是ADC输入范围的共模电压,伏特。

错误是ADC采样的建立误差。

例如,AD7172-2的调制器频率为2 MHz,短路相位时间为10 ns,全输入范围为5 V,CMV为2.5 V,建立误差为1 ppm。得到的BW数字为8.7 MHz,当AD7172-2处于无缓冲模式时,驱动放大器将需要该数字。这超过了1.7 MHz - AD8220的增益带宽产品能力以及许多精密仪表放大器。AD7172-2在两个ADC模拟输入上都具有真正的轨到轨,集成精密单位增益缓冲器。它旨在驱动所有频率的AD7172输入级,并降低设计复杂性和客户风险。缓冲器提供高输入阻抗,典型输入电流仅为5 nA,允许高阻抗源直接连接到模拟输入。缓冲器完全驱动内部ADC开关电容采样网络,简化了模拟前端电路要求,同时每个缓冲器消耗非常高效的0.87 mA电流。每个模拟输入缓冲放大器都是完全斩波的,这意味着它可以最大限度地减少偏移误差漂移和缓冲器的1 / f噪声。

磁场是如何产生的?
测量管内的磁场是通过安装在管道外侧的线圈施加恒定电流而产生的。线圈通常成对存在并且彼此串联连接。线圈通常是数百匝铜线,因此被其驱动电路视为显着的电感负载。线圈电感通常为数十至数百毫安加50Ω至100Ω直流串联电阻。当驱动电路改变激励电流的方向时,磁场在每个周期内交替其方向,这通过打开和关闭H桥上的不同开关对来完成。交变频率通常是用于噪声消除的电力线频率的整数倍。

 

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功耗是否重要?
是。电磁流量计的激励电流可能非常大,从小到50 mA的最大50 mA或大直径管道的1A。恒流电路在线性调节时会消耗大量的功率和电路板面积。

与线性稳压恒流电路相比,开关电源可用于节省功耗。如图所示,ADP2441配置为恒流源输出模式。1.2 V ADR5040输出电压除以两个电阻至150 mV。该150 mV电压施加于ADP2441电压跟踪引脚,使电压反馈引脚也保持在150 mV。在反馈引脚上放置0.6Ω电流设置电阻时,ADP2441会将其输出电流调整到其ISET电平。通过调节连接到ADP2441反馈引脚的电流设置电阻的值,可以调节恒流源。

 

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此驱动阶段设计还有其他好处吗?
有很大的区域优势。电磁流量传感器驱动器电路,也称为激励电路,通常与信号调节电路隔离 - 通常1kV基本隔离就足够了。传统的电磁流发射器通常使用光耦合器隔离。光耦合器往往可靠性差,而且非常大。ADuM7440数字隔离器结合了高速CMOS和单芯片空芯变压器技术,采用小型16引脚QSOP封装,提供四个独立的隔离通道。

 

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与使用光耦合器,线性稳压恒流源和通孔封装中的分立FET H桥的传统方案相比,使用数字隔离方法节省的功率可以节省80%以上的电路面积。

表6. H桥驱动阶段期间使用的关键组件比较

 

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如何计算流量?
在数字域中,交流信号仍然需要滤波和同步解调。图15说明了该算法如何在数字域中实现同步解调。DSP发出控制信号1和2,一对用于电磁流量传感器线圈激励的互补逻辑信号。在这两个信号的控制下,流过电磁流传感器线圈的电流在每个周期中反转 - 因此磁场的方向以及因此电极上的传感器输出也在每个周期中反转。

 

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例如,在第n个周期中,DSP(在我们的例子中,ADSP-BF504F)知道ADC采样进入时控制信号1和2的时序和逻辑。这允许DSP按照以下方式对这些ADC采样进行排序线圈驱动控制信号的逻辑状态分为SRAM中的两个阵列。也就是说,在正半周期期间获得的那些带时间戳的样本被分类到一个组中,并且在负半周期中获取的那些样本被分类到另一个组中。随后每组通过FIR(有限脉冲响应)低通滤波器。滤波器的截止频率设置为30 Hz,允许有用信号通过,抑制电源线频率和高频噪声分量的干扰。

 

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然后算法减去两个平均值以得到与流速成比例的值。该值的结果单位是LSB per(meter / sec)。该值需要进一步处理。最终的流量计算是:

 

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哪里:

ΔFlowRate是来自正和负激励相位LSB的两个平均值的减法结果。

V REF是ADC参考电压,伏特。

N是ADC分辨率位的数量。

G是模拟前端的增益。

灵敏度是传感器的标称灵敏度,V per(米/秒)。

K T是发射机系数。

K S是传感器系数。

K Z是零偏移。 

如何选择合适的处理器?
过程的选择是重要的。越来越需要更多的处理能力,要么支持更复杂的算法计算,要么支持增强的诊断或预测。还有一项全球运动,旨在提高电力和工业基础设施的能源效率。客户要求以更低的功率和可达到的成本点获得更多的处理能力。

用于EM流的数字滤波器可能需要大量的处理能力。使用的32位FIR滤波器消耗80 MIPS。流量计算,外围通信驱动程序和数据通信分别需要40 MIPS,32 MIPS和20 MIPS。这些总计最多可达172 MIPS。在此设计中,上述任务由高达400 MIPS能力的ADSP-BF504F数字信号处理器完成。已经使用了近50%的处理能力,这是在多层通信栈,HART通信,诊断,安全监控功能或LCM驱动程序之前。

 

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片上外设也很关键。DSP具有多种实现功能,包括SPI,UART,I 2 C和脉冲输出通信。有35个GPIO可用于硬件控制和逻辑输入/输出,例如,用于控制LCD,键盘输入,报警和诊断。SRAM存储器存储滤波器系数,SPI数据通信,LCM数据高速缓存,机器状态数据和内部状态标志。68 kB片上静态随机存取存储器(SRAM)满足系统级要求,由32 kB L1指令SRAM /高速缓存和32 kB L1数据SRAM /高速缓存组成。RS-485和HART通信也需要存储器。ADSP-BF504F的4 MB片上闪存可用于存储程序数据,滤波器系数和校准参数。

 

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展望未来,将继续推动越来越多的处理能力。为了满足这种需求的增加,在ADSP-BF70x的Blackfin ?处理器系列是一种高性能DSP,提供了一个类领先的处理能力800 MMACS在小于100毫瓦。经济高效的八个成员系列包括高达1 MB的内部L2 SRAM,在许多应用中消除了外部存储器,而第二个配置具有可选的DDR2 / LPDDR存储器接口。表8列出了ADSP-BF7xx系列的主要特性。

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ADI为电磁流量计解决方案提供什么?
ADI开发了系统级参考设计,为电磁流量计的完整信号链进行原型设计。系统配置为可连接任何EM流量传感器类型,应用适当的激励频率和电压水平以产生磁场(由Blackfin DSP控制),测量传感器输出,并应用后处理滤波器和算法进行计算流量。ADI在真实流动设备环境中校准设计,如图19所示,并将校准系数存储在存储器中。可以进行单点或多点校准,通过多点线性化提高性能。在此过程中,我们能够证明模拟前端设计的性能可以满足领先的高端流量计的性能要求。

 

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与传统架构相比,过采样架构具有一些关键优势。有显着的面积和成本节省 - 分别高达50%和20%。由于能够保存传感器信号并对其应用后处理,因此还可以节省功耗并提高系统性能。
您是否从设计中测量过数据?
评估结果
参考设计在流量校准装置上连接到25 mm直径的电磁流量传感器时进行了测试,在室温下使用水。当激励频率设定为6.25Hz时,在0.5米/秒至2米/秒的范围内实现±0.2%读数的基本误差。测试结果数据如表9所示

 

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总结和结论
在全球范围内,尤其是在欧洲,越来越多的环境法规正在投入使用,以监控和控制住宅和商业行业的废物。电磁流技术是该应用的首选技术。传统架构往往是一种模拟方法。这具有一些缺点,例如成本,面积,功率,响应时间和有限的系统信息。该行业的趋势是采用过度抽样的方法。这对ADC的要求带来了重大挑战,因为更新速率将增加10倍,但不能使用平均效益,这会在高更新速率下推动ADC边界的噪声要求。还有待解决的电力挑战。广泛的液体类型和管道直径类型都需要动态功率控制功能,有效地采用一种设计,能够以最小的功耗满足所有传感器类型的需求。Blackfin DSP为流量计应用提供了低功耗和处理要求的完美组合。它执行复杂的FIR滤波器算法来计算流速,同时提供领先的800 MMACS处理能力,功率小于100 mW。完整的设计为以前的技术提供了一种简化的方法,具有成本,功耗和面积节省等诸多优势。有关ADI参考设计的更多信息,请联系 Belong DSP为流量计应用提供了低功耗和处理要求的完美组合。它执行复杂的FIR滤波器算法来计算流速,同时提供领先的800 MMACS处理能力,功率小于100 mW。完整的设计为以前的技术提供了一种简化的方法,具有成本,功耗和面积节省等诸多优势。有关ADI参考设计的更多信息,请联系 Blackfin DSP为流量计应用提供了低功耗和处理要求的完美组合。它执行复杂的FIR滤波器算法来计算流速,同时提供领先的800 MMACS处理能力,功率小于100 mW。完整的设计为以前的技术提供了一种简化的方法,具有成本,功耗和面积节省等诸多优势。