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电磁流量计设计方案及工作原理

传感技术 | 发布时间:2017-12-05 | 人气: | #评论# | 本文关键字:流量计,工作原理,电磁流量计
摘要:电磁感应技术为什么非常适合液体流量测量? 对于液体流量测量,电磁流量计技术有多种优势。它的传感器 一般是连接到管道中,其直径与管道直径一致,因而测量时不 会干扰或限制介质的

电磁感应技术为什么非常适合液体流量测量?

对于液体流量测量,电磁流量计技术有多种优势。它的传感器 一般是连接到管道中,其直径与管道直径一致,因而测量时不 会干扰或限制介质的流动。由于传感器不是直接浸没在液体 中,没有活动部件,因此不存在磨损问题。

电磁方法测量的是体积流量,这意味着测量对流体密度、温度、 压力和粘度等参数的变化不敏感。一旦用水标定电磁流量计, 就可以使用它来测量其他类型的导电流体,无需进一步标定。 这是其他类型流量计所不具备的一个重要优势。

电磁流量计特别适合测量固液两相介质,例如泥浆等带悬浮泥 土、固体颗粒、纤维或粘稠物的高导电率介质。它可用于测量 污水、泥浆、矿浆、纸浆、化学纤维浆及其他介质。这使得它 特别适合食品、制药等行业,利用它可测量玉米糖浆、果汁、 酒类、药物、血浆及其他许多特殊介质。

电磁流量计的工作原理是什么?

电磁流量计的工作原理基于法拉第电磁感应定律。根据法拉第 定律,当导电流体流经传感器的磁场时,一对电极之间就会产 生与体积流量成正比的电动势,其方向与流向和磁场垂直。电 动势幅度可表示为:

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其中,E 为感生电势,k 为常数,B 为磁通密度,D 为测量管的内径,v 为测量管内的流体在电极截面轴向上的平均速度。

磁流量计工作原理

图2. 磁流量计工作原理

传感器输出范围是多少?

传感器提供差分输出。其灵敏度典型值为150 μv/(mps)至200 μv/ (mps)。由于激励电流的方向不断交替,因而传感器输出信号 幅度会加倍。对于0.5 米/秒至15 米/秒的流速测量范围,传感 器输出信号幅度在75 μv 至4-6 mV 之间。图3 显示了用恒流 源激励且有流体流经传感器时的传感器输出信号。在传感器输 出引线上捕捉到的示波器图显示,有一个电平非常低的信号位 于较大共模电压上。紫色曲线对应正电极,红色曲线对应负电 极。粉色曲线是将正负电极相减的数学计算通道。低电平信号 位于较大共模电压之中。

电磁流量传感器的输出信号

图3. 电磁流量传感器的输出信号

传感器测量的传统方法是什么?

传统方法大致上是模拟式 — 具有高输入阻抗和高输入共模 抑制性能的前置放大器用来应对传感器漏电流效应,然后是三 阶或四阶模拟带通滤波器和采样保持级,最后是模数转换。典 型模拟前端方法如图4 所示。传感器输出信号首先经由仪表放 大器放大。必须尽量放大目标信号,同时要避免不需要的直流 共模电压引起放大器输出饱和。这通常会将第一级仪表放大器 的增益限制在最多10 倍。带通滤波器级进一步消除直流影响, 并再次放大信号,然后进入采样保持电路 — 正是这个差值信 号代表流速 — 随后送至模数转换器。

传统模拟前端方法

图4. 传统模拟前端方法

影响电磁流量计架构变化的市场趋势有哪些?

有多种行业趋势在呼唤新架构。其中之一是对数据日益增加的 需求。对于液体,监测除流量外的其他属性的能力正在变得越 来越有价值。例如,为了确定液体中可能有哪些污染物,或者 为了确定液体是否有适合特定应用的正确密度/粘度。增加这 种诊断能力有许多此类要求和好处。利用传统模拟方法是无法 轻松获取此类信息的,因为大部分传感器信息会在同步解调阶 段中丢失。

另外,制造工艺持续要求提高生产力和效率。例如在液体投注/ 灌装应用中,增加的灌装节点越来越多;制造工艺规模的扩大, 灌装速度的提高,要求更快速、更精确的流量监测。传统上利用机械或称重技术来确定灌装过程中要添加的正确 液体量,或生产工艺中的精确灌装量。这些方式往往非常昂贵, 而且难以扩展。为了满足这种需求,流量计(尤其是针对液体 的电磁流量计)已成为首选技术。

新的电磁流量计架构是什么样子?

过采样方法大大简化了模拟前端设计。模拟带通滤波器和采样 保持电路不再需要。电路中的前置放大器仅有一级仪表放大器 — 在我们的例子中是AD8220 JFET 输入级轨到轨输出仪表放 大器,它可以直接连接到高速Σ-Δ 型转换器。

采用AD8220 和AD717x-x 的过采样架构模拟前端

图6. 采用AD8220 和AD717x-x 的过采样架构模拟前端

对于模拟前端,重要的是什么,它如何影响我的设计?

放大器和ADC 是此类应用中最重要的两个模块。第一级放大 器有几项关健要求。

一个要求是共模抑制比 (CMRR)。液体电解质中的离子会发生 定向运动,因此,电极与流体之间会产生电势,这就是所谓极 化。如果两个电极完全一致,电极上的电势应彼此相等。不同 金属的极化电压在数百毫伏到±2 伏之间不等。这是出现在传 感器输出端和前置放大器输入端的直流共模电压。前置放大器 是抑制此共模电压的关健。

前置放大器的共模抑制

图7. 前置放大器的共模抑制

100 dB 共模抑制比会将0.3 伏直流共模衰减到3 微伏,后者作 为直流失调出现在放大器输出端,可通过校准予以消除。理想 情况下,传感器上的共模电压保持不变,但实际上,它会随时ss 间而变化,并且会受到液体质量或温度等其他因素的影响。共 模抑制比越高,对连续后台校准的需求就会越少,流量稳定性 也越高。

表1. 共模抑制对实际流速的影响


共模抑制比与抑制后的共模直流失调和噪声
共模抑制比120 dB100 dB80 dB60 dB
0.28 VDC共模直流0.28 μV2.8 μV28 μV280 μV
0.1 V 共模噪声0.1 μV1 μV10 μV100 μV
共模噪声转换为175 μV/(mps)传感器的流速0.0006 mps0.006 mps0.06 mps0.6 mps

电极的金属材料与电解质液体接触。液体电解质与电极之间的 摩擦会产生较高频率的交流共模电压。虽然幅度通常很小,但 交流共模表现为完全随机的噪声,更难抑制。这就要求前置放 大器不仅具有良好的直流共模抑制比,而且要有出色的较高频 率共模抑制比。AD8220 放大器在直流到5 千赫兹范围内具有 出色的共模抑制比。对于AD8220 B 级,直流到60 赫兹范围 的最小共模抑制比为100 dB,5 千赫兹以下为90 dB,能够很 好地将共模电压和噪声抑制到微伏水平。当共模抑制比为120 dB 时,0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。表2 显示了较差 的CMRR 对输出传感器信号的影响。

AD8220 直流和交流共模抑制效应
图8. AD8220 直流和交流共模抑制效应

前置放大器级的低漏电流和高输入阻抗是又一重要参数,因为 电磁流量传感器的输出阻抗可能高达GΩ。放大器的高输入阻 抗可防止传感器输出过载,避免信号幅度减小。放大器的漏电 流应足够低,这样当它流经传感器时,不会成为一个显著的误 差源。AD8220 的最大输入偏置电流为10 pA,输入阻抗为1013Ω, 因此它能支持电磁流量传感器的广泛输出特性。表2 列出了前 置放大器输入阻抗对10 GΩ 高输出阻抗传感器的影响。

表2. 放大器输入阻抗对流速的影响


传感器输出阻抗 (GΩ)放大器输入阻抗 (GΩ)对1 mps 减小的信号幅度 (µV)可重复性 (%)读数误差 (%)
101087.500.065%0.196%
1010015.910.051%0.154%
1010001.730.049%0.148%
1010,0000.170.049%0.147%

最后,0.1 赫兹至10 赫兹范围的1/f 噪声设置应用的噪底。 当增益配置为10 时,AD8220 折合到输入端的电压噪声约为 0.94 μV p-p,它能分辨6 毫米/秒的瞬时流速和小于1 毫米/秒 的累计流速。

责任编辑:电气自动化网

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