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        智能電磁流量計

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        淺析關于智能電磁流量計的設計與開發應用

        來源:作者:發表時間:2019-09-09 15:36:17

        測量流體流量是許多行業過程控制的重要要求。精度和準確度的要求取決于應用,即水管理與瓶子灌裝。有許多技術可用于測量流量,包括差分超聲波,科里奧利,差壓和電磁流量計。
         
        其中,電磁流量計也稱為“電磁流量計”,是**常用的流量測量系統之一。由于其無創感應,它特別適用于測量難以腐蝕的流體。無論流體溫度,壓力,密度和方向如何,電磁流量計都可提供測量。雖然它們對非導電和非磁性流體有限制,但它們廣泛用于水,廢物,造紙,化學,采礦和食品工業。
         
        在這篇博客中,我們將討論電磁流量計的基本知識以及相同的流量測量和儀表。
         
        電磁流量計 - 基礎知識
        電磁流量計背后的關鍵原理是法拉第電磁感應定律。該定律表明在通過磁場移動的導體中將感應出電壓。感應電壓的大小與導體的速度,導體的長度和磁場強度成正比。
         
        在數學上我們可以表達法拉第定律
         
        E = kBLV
         
         哪里,
         
        “k”是可以為器件校準的比例常數
         
        “B”是磁場強度
         
        “L”是電極之間的間距(流量管直徑)
         
        “V”是導電流體的速度
         
        “E”是跨電極測量的電壓。
         
        使用上述原理,電磁流量計產生的電流通過勵磁線圈產生磁場。通過場的流體產生與使用電極捕獲并測量的速度成比例的電動勢。整個系統架構將在下一節中介紹。
         
        Magmater架構
        電磁流量計主要是嵌入式系統,其分為七個功能單元,如下所述。
         
        下圖描繪了電磁流量計的架構。
         

        20190909153642.jpg

         
        流管容納勵磁線圈和與移動的導電流體直接電接觸的電極。電極吸收流體中存在的電壓。電極元件是重要的考慮因素。對于具有不同溫度漂移,腐蝕速率和電極電位特性(包括鉑,SS等)的電極元件,有許多選擇。相同的選擇取決于所測量的流體類型以及所需的耐久性。
         
        線圈激勵單元產生電流,該電流根據來自處理單元的控制信號激勵勵磁線圈,以產生受控磁場。不同類型的激勵信號及其結構將在下一節中描述。
         
        信號調節單元將流量管電極輸出轉換為用于流量測量的重要可測量信號。在后面的章節中將解釋相同的儀器。
         
        處理單元是電磁流量計的核心。線圈激勵單元的控制信號由處理單元提供。它還可以處理從調節系統獲得的信號,具有各種統計和數學公式,并為IO和用戶界面提供**終流量讀數。
         
        IO接口支持向現有外部設備提供流信息。有許多輸出格式可用于與外部設備通信,如脈沖輸出,電流或電壓輸出,繼電器輸出,RS485 / RS232串行通信等。除輸出接口外,流量計還可支持連接外部變送器,傳感器或換能器作為增值選項。通過這些外部傳感器或變送器接口,流量計還可以提供其他信息,如溫度,壓力等。
         
        LCD顯示器,鍵盤,LED等用戶界面提供手動操作,如在現場設置,編輯流量計配置。
         
        電源單元提供穩定的電源,因為它決定了測量的質量。電磁流量計可能由交流電源或電池供電。智能電源管理和元件選擇對于電池電流表的長電池壽命是必要的。
         
        流量儀表
        在本節中,我們將討論電磁流量測量和儀器儀表。IO,用戶界面和電源等流量計的其他單元不在本博客的范圍內。
         
        線圈激發
        有不同的技術可用于激勵場線圈,每個場線圈具有不同程度的復雜性和誤差校正,如下所述
         
        直流電流激勵:**舊的激勵技術,用于通過使用恒定直流電流驅動勵磁線圈來產生磁場。在這種類型的技術中,由于固有的誤差累積,測量的質量是有限的。
         
        交流正弦波:在這種技術中,勵磁線圈由交流激勵驅動。該技術具有諸如電磁干擾和零點漂移的缺點。
         
        低頻DC矩形:**常用的技術,其中勵磁線圈使用恒定幅度激勵,交替方向電流以實現低零點漂移。
         
        三態低頻DC:這種類型的激勵類似于低頻直流矩形激勵,但占空比減小到矩形的一半左右。利用這種方法,在沒有激勵電流的情況下完成零點校準。這種類型的激勵也消耗更少的功率。
         
        雙頻:在這種類型中,通常以更高的頻率調制1/8的電源線頻率,以有效地降低噪聲。該方法提供快速響應,但與先前的激勵類型相比,其操作復雜。
         
        如前所述,有許多方法可以實現上述每種激勵技術。其中,**常用的是使用具有恒定電流吸收電路的MOSFET H橋的低頻DC矩形激勵。
         
        晶體管或MOSFET H橋可用于切換恒定電流的方向。利用MOSFET H橋電路,勵磁線圈將同時在正相和負相激勵。H橋的控制信號由處理單元提供。激勵頻率為電源線頻率的1 / 16,1 / 10,1 / 8,1 / 4或1/2。
         
        下圖顯示了低頻直流勵磁的波形。
        20190909153655.jpg
        低頻激勵
         
        勵磁線圈的勵磁電流應該是恒定的,并且液位可以根據流管的直徑而變化。對于較大直徑,可能需要從大約150mA的電流水平到大直徑的大約1A的電流水平。
         
        由于電流應該是恒定的,因此需要可靠且精確的電流吸收電路。傳統的恒流灌電流方法是使用線性穩壓電流吸收電路。該電路需要固定電壓基準,運算放大器,晶體管和電流設定電阻。該電路與H橋一起提供良好的性能和低噪聲。但該電路的缺點是由于大電壓上的大電流線性下降導致的功率損耗。因此需要散熱器,這增加了額外的成本和PCB面積。
         
        下圖描繪了使用線性調節電流吸收電路的線圈激勵單元的示例電路模型。
        20190909153741.jpg
        電磁流量線圈勵磁電路
         
        該電路的**佳替代方案是帶開關模式電源的恒流吸收器。該技術消除了損耗并提高了系統性能。
         
        通過一些修改,上述電路可以擴展到與三態和雙頻激勵一起使用。
         
        信號調節
        信號調理電路需要**精心的儀器設計,因為它決定了測量的準確性。流體中感應的電動勢由流量管中的傳感器電極接收,并通過屏蔽銅纜傳送到幾厘米到幾米的任何地方。該信號具有以下特征:
         
        基于流速,感應的信號可以從幾uV變化到幾mV,動態范圍大于1000。
        由于諸如電化學反應等的影響,在流量管中引入了大量噪聲。
        由于管和電子設備之間的電纜長度較大,因此從電源線,相鄰儀表和系統等其他來源引入更多噪聲。在某些環境中,即使人走過電纜,也會產生噪音。
        可以從電極之間的電壓差獲得與流動相關的信息。為了處理這樣的傳感器信號,不管電極材料如何,信號調理電路必須執行以下任務,
         
        拒絕共模電壓
        放大低電平電極信號
        過濾DC分量并進一步放大
        電平轉換以識別正向流動或反向流動
        通常,電路的總增益約為450至600.流量計中的大多數信號調理電路在兩個或三個階段中執行這些任務。以下小節說明了電極信號調節的三階段方法。
         
        輸入階段
        在輸入級,拒絕共模電壓,并以小增益放大電極信號。輸入級過程必須使用具有以下特性的精密儀表放大器完成,
         
        匹配布局和激光調整電阻,用于低增益誤差,增益漂移和高共模抑制。
        高輸入阻抗,**大限度地減少電極和放大器之間無法匹配的阻抗造成的損耗。
        低偏置電流和低偏移電流可**大限度地降低電流噪聲和共模電壓。
        過濾和放大階段
        在這個階段,DC分量和較高頻率的噪聲被有源帶通濾波器或級聯放大器去除。此外,濾波的信號被放大,使得信號值被擴展以占據所使用的ADC的全電壓范圍。需要仔細設計這個階段,以防止來自不感興趣的頻段的不需要的信號以及該階??段固有的噪聲。
         
        水平轉移
        前一階段的輸出提供了有關流量的信息。信號的幅度反映了流體速度。如果輸出與線圈激勵同相,則指示流動方向,并且異相標記以相反方向流動。
         
        該信號是雙極性的,可以使用通常固定ADC參考值一半的小電壓轉換為單極性。
         
        實現此目的的**簡單方法之一是使用提供固定參考電壓和雙極性信號的簡單加法器電路。輸出可以直接饋送到ADC。例如,對于滿量程輸入范圍為2.5V的ADC,固定參考電壓可以為1.25V。如果ADC值高于1.25V,則流量在一個方向,如果低于1.25V,則流量方向相反。
         
        設計注意事項
        在電磁流量計的設計和開發過程中需要注意的一些方面包括
         
        必須使用低阻抗源驅動單位增益差分放大器的參考端。從高阻抗源驅動將導致差的CMR。使用低阻抗源的簡單方法是使用運算放大器緩沖器進行驅動。
        在增益設置階段選擇高精度電阻,如輸入級,濾波和放大級。
        不要將未使用的運算放大器部分留在電路中。
        也可以從AC電源線引入振蕩和噪聲。流量管和電子設備的正確接地將有助于**大限度地減少相同的流量。
        基于流體和傳感器類型,每個傳感器中可能存在不同的DC積累。必須注意拒絕這一點并僅處理感興趣的信號分量。
        必須使用高精度和精確的ADC,以獲得更好的可靠性和準確性。
        流量測量
        處理單元需要結合智能算法以改進信號處理。在找到流速之后,可以基于流量管直徑容易地計算實際流量。IO,用戶界面等其他設備的設計非常簡單,因為它們主要是數字電路,而不是線圈/傳感器調節中的模擬電路。
         
        本博客應首先簡要介紹電磁流量計的設計和開發。通過精心設計儀表電路,可以在電磁流量計中實現高精度。可以探索更多的功能,如可變增益,不同類型的激勵,以進一步提高性能。
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