作者：Ke Li和Colm Slattery

從煉油廠到自動售貨機的工業(yè)應用需要精確測量溫度、壓力和流量，以控制復雜而簡單的過程。例如，在食品工業(yè)中，灌裝瓶子和罐頭時對流量的精確控制會直接影響利潤，因此必須將流量測量誤差降至最低。同樣，貿(mào)易交接應用，例如石油工業(yè)中儲罐和油輪之間的原油和精煉石油交換，需要高精度的測量。本文概述了流量計技術，重點是電磁流量計，這是液體流量測量中最準確的流量計之一。

圖1顯示了一個基本的過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用流量計和執(zhí)行器來控制液體流速。在最低級別，溫度、流速和氣體濃度等過程變量通過輸入模塊進行監(jiān)控，該輸入模塊通常是可編程邏輯控制器 （PLC） 的一部分。信息通過比例-積分-微分 （PID） 循環(huán)在本地處理。利用這些信息，PLC 設置輸出以將過程控制在穩(wěn)定狀態(tài)。過程數(shù)據(jù)、診斷和其他信息可以傳遞到操作級別，命令、參數(shù)和校準數(shù)據(jù)可以傳遞到傳感器和執(zhí)行器。

圖1.測量和控制液體流量的基本系統(tǒng)。

許多不同的技術用于測量流速，包括差壓、科里奧利、超聲波和電磁。差壓流量計是最常見的，但它們對系統(tǒng)中的壓力變化很敏感。科里奧利流量計可以提供最高的精度，高達0.1%，但它們體積大且價格昂貴。超聲波流量計體積小，成本低，但精度有限（典型值為0.5%）。超聲波流量計使用非侵入式測量技術，可提高可靠性并最大限度地減少傳感元件隨時間推移的退化，但它們不能用于臟污或受污染的液體。

電磁流量計還提供無創(chuàng)傳感。它們可用于酸性、堿性和電離流體，電導率范圍為 10 S/m 至 10–6S/m，以及清潔、臟污、腐蝕性、侵蝕性或粘性液體和漿料，但不適合用于碳氫化合物或氣體流量測量。它們可以在最小直徑約為0.2英寸，最大體積約為0立方英尺的低體積和高體積流速下實現(xiàn)相對較高的系統(tǒng)精度（125.10%），并且讀數(shù)在更慢的速度下仍可重復。它們可以測量上游或下游的雙向流量。表1比較了幾種常見的流量計技術。

表 1.工業(yè)流量計技術

電磁流量計使用法拉第電磁感應定律，該定律指出在通過磁場移動的導體中將感應電壓。液體作為導體;磁場由流管外的通電線圈產(chǎn)生。感應電壓的大小與導體的速度和類型、管的直徑和磁場強度成正比，如圖2所示。

在數(shù)學上，我們可以將法拉第定律表述為 E = kBLV

其中 V 是導電流體的速度，B 是磁場強度，L 是拾取電極之間的間距，E 是電極兩端測量的電壓，k 是常數(shù)。B、L 和 k 要么是固定的，要么可以校準，因此方程簡化為 E ∝ V。

圖2.電磁流量計。

通過螺線管勵磁線圈的電流產(chǎn)生受控磁場。特定的激勵波形是電磁流量計的一個重要方面，使用了很多類型，包括低頻矩形波、電力線頻率正弦波、雙頻波和可編程脈沖寬度。表2顯示了各種傳感器線圈激勵波形。

表 2.傳感器激勵類型、波形和特性

大多數(shù)應用使用低頻直流矩形以電源線頻率 （1 Hz/25 Hz） 的 1/16、1/10、1/8、1/4、1/2 或 50/60 激勵傳感器線圈。低頻激勵使用恒定幅度的交變方向電流來實現(xiàn)低零點漂移。電流方向通過晶體管或MOSFET H橋切換。當SW1和SW4導通，SW2和SW3關閉時（圖3a），傳感器線圈在正相中被激勵;恒流進入EXC+并退出EXC-。當SW1和SW4關閉，SW2和SW3導通時（圖3b），傳感器線圈在負相中被激勵;恒定電流進入EXC–并退出EXC+。

圖3.H橋控制傳感器線圈激勵相位。

與其他流量技術相比，電磁流量計的激勵電流往往相當大，125 mA至250 mA涵蓋了線路供電流量計的大部分范圍。電流高達 500 mA 或 1 A 將用于更大直徑的管道。圖4顯示了一個可以產(chǎn)生精密250 mA傳感器線圈激勵的電路。基準電壓源ADR3412為8 ppm/°C，提供1.2 V設定點來偏置電流。

圖4.線性穩(wěn)壓吸電流。

雖然這種使用基準電壓源、放大器和晶體管電路進行電流激勵的傳統(tǒng)方法提供了良好的性能和低噪聲，但由于大電壓兩端的大電流線性下降，它遭受了顯著的功率損耗。因此，它需要增加系統(tǒng)成本和面積的散熱器。帶開關模式電源的恒流吸收器正成為激勵傳感器線圈的一種更流行的方式。圖5所示為ADP2441同步降壓DC-DC穩(wěn)壓器，配置為提供恒定電流輸出。這種技術消除了標準吸電流的損耗，大大提高了系統(tǒng)性能。

圖5.開關模式恒流勵磁電路。

高功率系統(tǒng)使用電流檢測診斷功能來監(jiān)控電流隨負載、電源、時間和溫度的變化;并且還可以檢測開路傳感器線圈。AD8219分流放大器可用于監(jiān)控激勵電流，在60 V共模范圍內(nèi)具有0 V/V增益和3.80%的精度。采用隔離式Σ-?調(diào)制器和軌到軌運算放大器AD7400的隔離式電流放大器如圖8646所示。AD6輸出通過7400千-訂購低通濾波器以重建檢測輸出。

圖6.隔離式激勵電流監(jiān)控。

電極或傳感元件也是一個重要的考慮因素。兩種主要的測量技術是電容式，電極安裝在管外;或者，更常見的是，將電極插入管中，與液體沖洗。

有許多不同的材料可供選擇，每種材料都有獨特的特性，包括溫度漂移、腐蝕速率和電極電位。最佳組合使用具有低腐蝕速率（<每年100.0英寸）的高溫材料（>02°C）。表3顯示了一些具有代表性的傳感器材料及其標準電壓電位。

表 3.傳感器材料和電壓電位

鉑金是高質(zhì)量電極材料的一個很好的例子;它的腐蝕速率每年低于 0.002 英寸，可以在高達 120°C 的環(huán)境中運行。 然而，鉑的1.2 V電極電位相對較高，將成為傳感器輸出端需要抑制的共模電壓（CMV）。不銹鋼電極只有幾百毫伏的CMV，因此共模更容易被剔除。不銹鋼材料廣泛用于非腐蝕性流體。

如果兩個電極使用相同的材料并具有相同的表面條件，則它們應出現(xiàn)相等的電位。然而，在現(xiàn)實中，由于流體和電極之間的物理摩擦或電化學效應，極化電位作為低頻交流信號緩慢波動。任何不匹配也會顯示為差模噪聲。偏置電壓與電極電位一起，為第一級放大器輸入提供幾百毫伏至約1 V的共模電壓，因此電子器件必須具有足夠的共模抑制。圖7顯示了0.28 V差分系統(tǒng)的單電極電位直流偏置和0.1 VP-P安裝在直徑 316 mm 的水管上的 #50 不銹鋼電極上的噪音。

圖7.差分系統(tǒng)中的電極電位為 0.28 V直流偏置和0.1 VP-P共模噪聲。

典型流速在 0.01 m/s 至 15 m/s 范圍內(nèi)，動態(tài)范圍為 1500：1。典型的線路供電電磁流量計的靈敏度為 150 μV/（m/s） 至 200 μV/（m/s）。因此，150 μV/（m/s） 傳感器將提供 3 μVP-P 輸出和 0.01 m/s 雙向流量。對于2：1的信噪比，折合到輸入端的總噪聲不應超過1.5 μVP-P。在直流至低頻范圍內(nèi)，流速變化非常緩慢，因此0.1 Hz至10 Hz噪聲帶寬至關重要。此外，傳感器的輸出電阻可能相當高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具有低噪聲、高共模抑制和低輸入偏置電流。

傳感器的共模輸出電壓通過前端放大器的共模抑制而衰減。使用 120 dB CMR、0.28 V直流偏置降至0.28 μV直流.該偏移可以通過交流耦合信號來校準或消除。交流分量在放大器輸出端顯示為噪聲，降低了最低可檢測電平。120 dB CMR，0.1 VP-P降至 0.1 μVP-P.

傳感器輸出電阻從幾十歐姆到10歐姆不等7Ω取決于電極類型和流體電導率。為了將損耗降至最低，前端放大器的輸入阻抗必須遠大于傳感器的輸出電阻。需要一個具有高輸入電阻的JFET或CMOS輸入級。前端放大器的低偏置電流和低失調(diào)電流是最大限度降低電流噪聲和共模電壓的關鍵參數(shù)。表4顯示了幾種推薦的前端放大器的規(guī)格。

表 4.代表性儀表放大器規(guī)格

圖8所示為使用AD8228精密儀表放大器的流量計。前端放大器抑制共模電壓，同時放大小傳感器信號。其匹配的布局和激光調(diào)整電阻使其能夠為增益誤差、增益漂移和共模抑制提供有保證的規(guī)格。為了最大限度地降低漏電流，可以通過對輸入電壓進行采樣并將緩沖電壓連接到輸入信號路徑周圍的未屏蔽走線來保護高阻抗傳感器輸出。

第一級增益通常為10至20，但不會更高，因為低電平信號必須放大以進行后處理，同時保持較小的直流失調(diào)以避免下游級飽和。

圖8.前端放大器和電磁流量傳感器之間的接口。

輸入級之后是一個有源帶通濾波器，該濾波器去除直流分量并設置增益以充分利用下游ADC的動態(tài)范圍。傳感器激勵頻率范圍在電源線頻率的 1/25 和 1/2 之間，設置帶通截止頻率。圖9顯示了流量計中使用的帶通濾波器。

圖9.帶通濾波器跟隨輸入放大器。

第一級是截止頻率為0.16 Hz的交流耦合單位增益高通濾波器。它的傳遞函數(shù)是

以下級與第一級相結合，形成一個完整的帶通濾波器，具有0.37 Hz低頻截止、37 Hz高頻截止、35.5 Hz時3.6 dB峰值、–40 dB/十倍頻程滾降和49 Hz噪聲等效帶寬。為此級選擇的放大器不得產(chǎn)生額外的系統(tǒng)噪聲。

使用低功耗精密運算放大器AD8622，額定電壓為0.2 μVP-P1/f噪聲和11 nV/√Hz寬帶噪聲，折合到濾波器輸入端的噪聲為15 nV rms。當折合到放大器輸入端時，該噪聲變?yōu)?.5 nV rms，與±1.5 μV相比可以忽略不計。P-P0.01 m/s 流速時的噪聲。將來自共模電壓、前端放大器和帶通濾波器的噪聲源相加，折合到AD8228輸入端的和方根噪聲為0.09 μV rms，或約0.6 μVP-P.

濾波器輸出包含振幅中的流速和相位中的流向。雙極性信號通過模擬開關、保持電容和差動放大器進行解調(diào)，如圖10所示。模擬開關必須具有低導通電阻和中等開關速度。ADG5412是一款高壓、防閂鎖、四通道SPST開關，典型R為9.8 Ω上和 1.2 Ω R上平坦度，幾乎不會給信號增加增益誤差或失真。

圖 10.同步解調(diào)電路。

低功耗、低成本、單位增益差動放大器AD8276與具有5 V滿量程輸入范圍的ADC接口。因此，其REF引腳連接到一個2.5 V基準電壓源，該基準電壓源將雙極性輸出電平轉換至單極性范圍。高于2.5 V的輸出表示正向流動，而低于2.5 V的輸出表示反向流動。

選擇ADC

在確定系統(tǒng)誤差預算時，傳感器通常占主導地位，可能占總誤差的80%至90%。電磁流量計國際標準規(guī)定，在1°C和恒定流速下，測量重復性不應超過最大系統(tǒng)偏差的3/25。總誤差預算為0.2%時，重復性不應超過0.06%。如果傳感器占該預算的90%，則變送器電子元件的最大誤差必須為60 ppm。

為了最小化誤差，我們可以對ADC樣本進行平均。例如，對于每五個樣本，丟棄最大值和最小值，并對其余三個樣本求平均值。ADC需要在每個建立間隔內(nèi)獲取10個樣本，這發(fā)生在激勵周期的最后50%。這就要求ADC采樣速率至少是傳感器激勵頻率的30倍。為了適應 1500 Hz 的最快激勵，最小采樣率需要為 <> Hz。 更快的采樣將允許對更多的數(shù)據(jù)樣本進行平均，以抑制噪聲并實現(xiàn)更高的精度。

這些ADC要求非常適合Σ-?技術，該技術可在中等速度下提供出色的噪聲性能。超低噪聲Σ-?型ADCAD7192非常適合電磁流量計，因為它在16 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下具有5.4800位無噪聲分辨率。表5顯示了其有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關系。

表 5.AD7192 有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率

的關系

圖11所示為ADC子電路，包括解調(diào)器輸出和ADR3425微功耗、高精度2.5 V基準電壓源。

圖 11.模數(shù)轉換器子電路。

某些應用，如飲料灌裝，需要更高頻率的傳感器激勵。150 Hz 傳感器線圈激勵允許在大約一秒鐘內(nèi)完成灌裝過程。噪聲要求保持不變，但ADC必須更快。AD7176-2 Σ-? ADC建立時間為20 μs，在17 kSPS時具有250位無噪聲分辨率，在85 Hz和50 Hz音調(diào)下具有60 dB抑制。

模擬信號鏈測試

這里描述的構建模塊用于在校準實驗室中激勵和測試電磁流量傳感器。完整的前端，包括高CMRR輸入級、帶通濾波器和增益級，也在實際流量系統(tǒng)中進行了測試。兩塊測試板在 0 m/s 至 2 m/s 的范圍內(nèi)實現(xiàn)了 ±1.5% 的精度，重復精度為 0.055%。這與行業(yè)標準密切相關。電磁流量計的信號鏈如圖12所示。

圖12.電磁流量計。

傳感器激勵和測量決定了整體系統(tǒng)性能，因為在電極上產(chǎn)生的毫伏信號最終會轉換為流動結果。流量通過多種協(xié)議傳送到系統(tǒng)控制器，包括 RS-485 和 4mA 至 20mA 電流環(huán)路。電流環(huán)路的主要優(yōu)點是不受接線中壓降的影響，可以長距離通信，并且比電壓通信更不容易受到噪聲干擾。在工廠自動化應用中，數(shù)字總線協(xié)議更為常見，使用差分電壓模式信號在較短距離內(nèi)提供高速通信。圖13顯示了采用HART通信的4 mA至20 mA信號電路。圖14所示為隔離式RS-485解決方案。?

圖 13.4mA 至 20mA 電流環(huán)路，帶 HART。

圖 14.隔離式RS-485電路。

為了在用戶界面上保持安全電壓并防止瞬變從電源傳輸，通常需要在每個通信通道和系統(tǒng)控制器之間進行電氣隔離。表 6 顯示了為這些通信標準提供最高集成度的組件列表。

表 6.用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集

的集成電路

結論

電磁流量計是當今最常用的流量技術類型之一。它們在液體流量測量中占主導地位，并且由于專注于廢物管理系統(tǒng)而在歐洲特別受歡迎。主要趨勢是PCB面積的減小和更高的性能。系統(tǒng)性能由模擬輸入模塊決定，因此需要高阻抗、低噪聲、高CMRR輸入放大器和低噪聲、高分辨率Σ-?ADC。未來的趨勢將決定對更快ADC的需求。AD719x系列ADC適合當前的系統(tǒng)級要求，而AD7176系列則完全能夠滿足未來的要求。ADI公司的高效DC-DC穩(wěn)壓器、集成通信、高分辨率ADC、精密放大器和高精度基準電壓源產(chǎn)品組合將使設計人員能夠在新設計中超越這些要求。

審核編輯：郭婷