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        智能電磁流量計

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        電磁流量計如何才能更快地響應行業需求以及提高效率?

        來源:作者:發表時間:2019-02-15 15:37:30

        通過增加傳感器激勵頻率,可以提高流量測量的系統更新速率。在這種情況下,傳感器輸出穩定的時間較短,因此平均可用樣本較少。使用噪聲較低的ADC,可以進一步降低傳感器輸出噪聲。使用相同的前端驅動器AD8220,增益×10,模擬前端性能可以在更高的更新速率下與領先的競爭對手進行基準測試。表4和圖11顯示了ADI在較高系統更新速率下與**接近的競爭對手相比獲得的優勢。

         

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        電磁流量計放大器是否能夠直接驅動ADC,我該如何確定?
        通常,這取決于儀表放大器的驅動能力和ADC的輸入結構。許多現代精密ADC都基于開關電容架構。片上采樣保持器作為上游放大器的瞬態負載,它必須能夠穩定開關電容器輸入以實現精確采樣。

         

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        以下公式可用于檢查放大器是否用于驅動ADC。

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        哪里:

        BW是放大器驅動ADC所需的**小帶寬。

        MCLK是ADC調制器時鐘頻率,赫茲。

        T是短路階段時間,秒。

        FS是ADC全模擬輸入范圍,伏特。

        CMV是ADC輸入范圍的共模電壓,伏特。

        錯誤是ADC采樣的建立誤差。

        例如,AD7172-2的調制器頻率為2 MHz,短路相位時間為10 ns,全輸入范圍為5 V,CMV為2.5 V,建立誤差為1 ppm。得到的BW數字為8.7 MHz,當AD7172-2處于無緩沖模式時,驅動放大器將需要該數字。這超過了1.7 MHz - AD8220的增益帶寬產品能力以及許多精密儀表放大器。AD7172-2在兩個ADC模擬輸入上都具有真正的軌到軌,集成精密單位增益緩沖器。它旨在驅動所有頻率的AD7172輸入級,并降低設計復雜性和客戶風險。緩沖器提供高輸入阻抗,典型輸入電流僅為5 nA,允許高阻抗源直接連接到模擬輸入。緩沖器完全驅動內部ADC開關電容采樣網絡,簡化了模擬前端電路要求,同時每個緩沖器消耗非常高效的0.87 mA電流。每個模擬輸入緩沖放大器都是完全斬波的,這意味著它可以**大限度地減少偏移誤差漂移和緩沖器的1 / f噪聲。

        磁場是如何產生的?
        測量管內的磁場是通過安裝在管道外側的線圈施加恒定電流而產生的。線圈通常成對存在并且彼此串聯連接。線圈通常是數百匝銅線,因此被其驅動電路視為顯著的電感負載。線圈電感通常為數十至數百毫安加50Ω至100Ω直流串聯電阻。當驅動電路改變激勵電流的方向時,磁場在每個周期內交替其方向,這通過打開和關閉H橋上的不同開關對來完成。交變頻率通常是用于噪聲消除的電力線頻率的整數倍。

         

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        功耗是否重要?
        是。電磁流量計的激勵電流可能非常大,從小到50 mA的**大50 mA或大直徑管道的1A。恒流電路在線性調節時會消耗大量的功率和電路板面積。

        與線性穩壓恒流電路相比,開關電源可用于節省功耗。如圖所示,ADP2441配置為恒流源輸出模式。1.2 V ADR5040輸出電壓除以兩個電阻至150 mV。該150 mV電壓施加于ADP2441電壓跟蹤引腳,使電壓反饋引腳也保持在150 mV。在反饋引腳上放置0.6Ω電流設置電阻時,ADP2441會將其輸出電流調整到其ISET電平。通過調節連接到ADP2441反饋引腳的電流設置電阻的值,可以調節恒流源。

         

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        此驅動階段設計還有其他好處嗎?
        有很大的區域優勢。電磁流量傳感器驅動器電路,也稱為激勵電路,通常與信號調節電路隔離 - 通常1kV基本隔離就足夠了。傳統的電磁流發射器通常使用光耦合器隔離。光耦合器往往可靠性差,而且非常大。ADuM7440數字隔離器結合了高速CMOS和單芯片空芯變壓器技術,采用小型16引腳QSOP封裝,提供四個獨立的隔離通道。

         

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        與使用光耦合器,線性穩壓恒流源和通孔封裝中的分立FET H橋的傳統方案相比,使用數字隔離方法節省的功率可以節省80%以上的電路面積。

        表6. H橋驅動階段期間使用的關鍵組件比較

         

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        如何計算流量?
        在數字域中,交流信號仍然需要濾波和同步解調。圖15說明了該算法如何在數字域中實現同步解調。DSP發出控制信號1和2,一對用于電磁流量傳感器線圈激勵的互補邏輯信號。在這兩個信號的控制下,流過電磁流傳感器線圈的電流在每個周期中反轉 - 因此磁場的方向以及因此電極上的傳感器輸出也在每個周期中反轉。

         

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        例如,在第n個周期中,DSP(在我們的例子中,ADSP-BF504F)知道ADC采樣進入時控制信號1和2的時序和邏輯。這允許DSP按照以下方式對這些ADC采樣進行排序線圈驅動控制信號的邏輯狀態分為SRAM中的兩個陣列。也就是說,在正半周期期間獲得的那些帶時間戳的樣本被分類到一個組中,并且在負半周期中獲取的那些樣本被分類到另一個組中。隨后每組通過FIR(有限脈沖響應)低通濾波器。濾波器的截止頻率設置為30 Hz,允許有用信號通過,抑制電源線頻率和高頻噪聲分量的干擾。

         

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        然后算法減去兩個平均值以得到與流速成比例的值。該值的結果單位是LSB per(meter / sec)。該值需要進一步處理。**終的流量計算是:

         

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        哪里:

        ΔFlowRate是來自正和負激勵相位LSB的兩個平均值的減法結果。

        V REF是ADC參考電壓,伏特。

        N是ADC分辨率位的數量。

        G是模擬前端的增益。

        靈敏度是傳感器的標稱靈敏度,V per(米/秒)。

        K T是發射機系數。

        K S是傳感器系數。

        K Z是零偏移。 

        如何選擇合適的處理器?
        過程的選擇是重要的。越來越需要更多的處理能力,要么支持更復雜的算法計算,要么支持增強的診斷或預測。還有一項全球運動,旨在提高電力和工業基礎設施的能源效率。客戶要求以更低的功率和可達到的成本點獲得更多的處理能力。

        用于EM流的數字濾波器可能需要大量的處理能力。使用的32位FIR濾波器消耗80 MIPS。流量計算,外圍通信驅動程序和數據通信分別需要40 MIPS,32 MIPS和20 MIPS。這些總計**多可達172 MIPS。在此設計中,上述任務由高達400 MIPS能力的ADSP-BF504F數字信號處理器完成。已經使用了近50%的處理能力,這是在多層通信棧,HART通信,診斷,安全監控功能或LCM驅動程序之前。

         

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        片上外設也很關鍵。DSP具有多種實現功能,包括SPI,UART,I 2 C和脈沖輸出通信。有35個GPIO可用于硬件控制和邏輯輸入/輸出,例如,用于控制LCD,鍵盤輸入,報警和診斷。SRAM存儲器存儲濾波器系數,SPI數據通信,LCM數據高速緩存,機器狀態數據和內部狀態標志。68 kB片上靜態隨機存取存儲器(SRAM)滿足系統級要求,由32 kB L1指令SRAM /高速緩存和32 kB L1數據SRAM /高速緩存組成。RS-485和HART通信也需要存儲器。ADSP-BF504F的4 MB片上閃存可用于存儲程序數據,濾波器系數和校準參數。

         

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        展望未來,將繼續推動越來越多的處理能力。為了滿足這種需求的增加,在ADSP-BF70x的Blackfin ?處理器系列是一種高性能DSP,提供了一個類領先的處理能力800 MMACS在小于100毫瓦。經濟高效的八個成員系列包括高達1 MB的內部L2 SRAM,在許多應用中消除了外部存儲器,而第二個配置具有可選的DDR2 / LPDDR存儲器接口。表8列出了ADSP-BF7xx系列的主要特性。

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        ADI為電磁流量計解決方案提供什么?
        ADI開發了系統級參考設計,為電磁流量計的完整信號鏈進行原型設計。系統配置為可連接任何EM流量傳感器類型,應用適當的激勵頻率和電壓水平以產生磁場(由Blackfin DSP控制),測量傳感器輸出,并應用后處理濾波器和算法進行計算流量。ADI在真實流動設備環境中校準設計,如圖19所示,并將校準系數存儲在存儲器中。可以進行單點或多點校準,通過多點線性化提高性能。在此過程中,我們能夠證明模擬前端設計的性能可以滿足領先的高端流量計的性能要求。

         

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        與傳統架構相比,過采樣架構具有一些關鍵優勢。有顯著的面積和成本節省 - 分別高達50%和20%。由于能夠保存傳感器信號并對其應用后處理,因此還可以節省功耗并提高系統性能。
        您是否從設計中測量過數據?
        評估結果
        參考設計在流量校準裝置上連接到25 mm直徑的電磁流量傳感器時進行了測試,在室溫下使用水。當激勵頻率設定為6.25Hz時,在0.5米/秒至2米/秒的范圍內實現±0.2%讀數的基本誤差。測試結果數據如表9所示

         

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        總結和結論
        在全球范圍內,尤其是在歐洲,越來越多的環境法規正在投入使用,以監控和控制住宅和商業行業的廢物。電磁流技術是該應用的首選技術。傳統架構往往是一種模擬方法。這具有一些缺點,例如成本,面積,功率,響應時間和有限的系統信息。該行業的趨勢是采用過度抽樣的方法。這對ADC的要求帶來了重大挑戰,因為更新速率將增加10倍,但不能使用平均效益,這會在高更新速率下推動ADC邊界的噪聲要求。還有待解決的電力挑戰。廣泛的液體類型和管道直徑類型都需要動態功率控制功能,有效地采用一種設計,能夠以**小的功耗滿足所有傳感器類型的需求。Blackfin DSP為流量計應用提供了低功耗和處理要求的完美組合。它執行復雜的FIR濾波器算法來計算流速,同時提供領先的800 MMACS處理能力,功率小于100 mW。完整的設計為以前的技術提供了一種簡化的方法,具有成本,功耗和面積節省等諸多優勢。有關ADI參考設計的更多信息,請聯系 Belong DSP為流量計應用提供了低功耗和處理要求的完美組合。它執行復雜的FIR濾波器算法來計算流速,同時提供領先的800 MMACS處理能力,功率小于100 mW。完整的設計為以前的技術提供了一種簡化的方法,具有成本,功耗和面積節省等諸多優勢。有關ADI參考設計的更多信息,請聯系 Blackfin DSP為流量計應用提供了低功耗和處理要求的完美組合。它執行復雜的FIR濾波器算法來計算流速,同時提供領先的800 MMACS處理能力,功率小于100 mW。完整的設計為以前的技術提供了一種簡化的方法,具有成本,功耗和面積節省等諸多優勢。

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