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汉威电磁流量计
汉威电磁流量计

关于电磁流量计的设计与开发应用的研究解析

返回列表发布日期:>2020-04-13 09:17:15    |    

在许多行业中,测量流体流量是过程控制中的重要要求。精度和准确性的要求因应用而异,例如水管理与瓶装。有许多可用于测量流量的技术,包括差动超声波,科里奥利,差压和电磁流量计。

其中,电磁流量计(也称为“电磁流量计”)是最常用的流量测量系统之一。由于它具有非侵入性传感功能,因此在特别困难的腐蚀性流体的测量中非常有用。磁力计提供的测量结果与流体温度,压力,密度和方向无关。尽管它们在非导电和非磁性流体方面有局限性,但它们广泛用于水,废物,造纸,化学,采矿和食品工业。

在此博客中,我们将讨论电磁流量计的基本知识以及流量测量和仪器仪表。

磁力仪–基础
电磁流量计背后的关键原理是法拉第电磁感应定律。该定律指出,将在通过磁场的导体中感应出电压。感应电压的大小与导体的速度,导体的长度和磁场强度成正比。

从数学上讲,我们可以将法拉第定律表示为
使用上述原理,磁力计产生流过励磁线圈的电流,从而产生磁场。通过电场的流体产生的电动势与使用电极捕获并测量的速度成比例。下一节介绍了整个系统的体系结构。

电磁流量计架构
电磁流量计主要是嵌入式系统,分为七个功能单元,如下所述。

下图描述了电磁流量计的体系结构。
流量管容纳励磁线圈和与运动的导电流体直接电接触的电极。电极吸收流体中存在的电压。电极元件是重要的考虑因素。对于具有不同温度漂移,腐蚀速率和电极电势特性的电极元件,有很多选择,包括铂金,不锈钢等。选择哪种电极元件取决于被测流体的类型以及所需的耐久性。

线圈激励单元产生电流,该电流根据来自处理单元的控制信号激励励磁线圈,以便产生受控磁场。下一节将介绍不同类型的激励信号及其构造。

信号调节单元将流量管电极输出转换为可测量的重要信号,以用于流量测量。稍后的章节中将说明其用法。

处理单元是电磁流量计的心脏。线圈励磁单元的控制信号由处理单元提供。它还可以使用各种统计和数学公式处理从调节系统获得的信号,并向IO和用户界面提供最终的流量读数。

IO接口支持向现有外部设备提供流信息。可以与外部设备进行通信的输出格式很多,例如脉冲输出,电流或电压输出,继电器输出,RS485 / RS232串行通信等。除了输出接口之外,流量计还可以支持与外部变送器,传感器的接口。或换能器作为增值选项。通过这些外部传感器或变送器接口,流量计还可以提供其他信息,例如温度,压力等。

用户界面(如LCD显示屏,键盘,LED等)可提供手动操作,例如现场设置,编辑流量计配置。

电源设备提供稳定的电源,因为它决定了测量的质量。磁力计可能由交流电源或电池供电。智能电源管理和组件选择对于延长电池电磁流量计的电池寿命是必需的。

流量仪表
在本节中,我们将讨论有关电磁流量测量和仪表的内容。流量计的其他单元(如IO,用户界面和电源)不在本博客的范围之内。

线圈励磁
有多种不同的技术可用于激励励磁线圈,每种技术具有不同程度的复杂性和误差校正,如下

直流电流激励:最古老的激励技术,用于通过使用恒定的直流电流驱动励磁线圈来产生磁场。在这种类型的技术中,由于内在误差的累积,测量的质量受到限制。

交流正弦波:在这种技术中,励磁线圈由交流励磁驱动。该技术具有诸如电磁干扰和零点漂移的缺点。

低频直流矩形:最常用的技术,其中励磁线圈使用恒定振幅,交流方向电流进行励磁,以实现低零点漂移。

三态低频直流:这种类型的激励类似于低频直流矩形激励,但是占空比减小到矩形的一半。使用这种方法,在不存在激励电流的情况下进行零点校准。这种激励也消耗较少的功率。

双频:在这种类型中,通常以更高的频率调制电源线频率的1/8,以有效地降低噪声。该方法提供了快速响应,但与以前的激励类型相比,其操作复杂。

如前所述,有许多方法可以实现上述每种激励技术。其中,最常用的是使用具有恒定电流吸收电路的MOSFET H桥进行低频DC矩形激励。

晶体管或MOSFET H桥可用于切换恒定电流的方向。使用MOSFET H桥电路,励磁线圈将同时在正相和负相中励磁。用于H桥的控制信号由处理单元提供。激励频率将为电源线频率的1 / 16、1 / 10、1 / 8、1 / 4或1/2。

下图显示了低频直流激励的波形。
励磁线圈的励磁电流应该是恒定的,并且其水平可能会根据流管的直径而变化。对于较小的直径,可能需要大约150mA的电流,对于较大的直径,可能需要1A以上的电流。

由于电流应恒定,因此需要可靠且准确的电流吸收电路。恒定电流吸收的传统方法是使用线性稳压电流吸收电路。该电路需要固定的参考电压,运算放大器,晶体管和电流设置电阻。该电路与H桥一起提供了良好的性能,并且噪声低。但是该电路的缺点是由于大电流跨大电压线性下降而导致的功率损耗。因此,需要散热片,这增加了额外的成本和PCB面积。

下图描述了使用线性稳压电流吸收电路的线圈励磁单元的示例电路模型。
该电路的最佳替代方案是带有开关模式电源的恒定电流吸收器。该技术消除了损失并提高了系统性能。

通过一些修改,上述电路可以扩展为与三态和双频激励一起使用。

信号调理
信号调节电路需要最仔细的仪器设计,因为它决定了测量的准确性。流体中感应的电动势由流量管中的传感器电极接收,并通过屏蔽铜缆传输到几厘米到几米的任何地方。该信号具有以下特点:

根据流速,感应的信号可以从几微伏到几毫伏不等,动态范围超过1000。
由于电化学反应等的影响,在流量管中会引入大量的噪音。
由于电子管和电子设备之间的电缆长度较大,因此会从其他来源(如电力电缆,相邻的仪表和系统等)引入更多的噪声。在某些环境中,即使有人在电缆上行走,也会产生噪声。
可从电极之间的电压差获得与流量有关的信息。为了处理这样的传感器信号,无论使用哪种电极材料,信号调节电路都必须执行以下任务:

拒绝共模电压
放大低电平电极信号
滤波直流分量并进一步放大
电平转换以识别正向流或反向流
通常,该电路的总增益约为450至600。流量计中的大多数信号调节电路都分两个或三个阶段执行这些任务。以下子节说明了电极信号调节的三阶段方法。

输入阶段
在输入级,共模电压被抑制,电极信号以较小的增益放大。输入级过程必须使用具有以下特性的精密仪表放大器来完成:

匹配的布局和激光微调电阻器,可实现低增益误差,增益漂移和高共模抑制。
高输入阻抗可最大程度地减少电极和放大器之间阻抗不匹配带来的损耗。
低偏置电流和低失调电流可将电流噪声和共模电压降至最低。
滤波放大阶段
在这一阶段,直流分量和较高频率的噪声通过有源带通滤波器或级联放大器消除。进一步地,滤波后的信号被放大,从而信号值被扩展以占据所使用的ADC的整个电压范围。必须仔细设计此阶段,以防止来自不感兴趣频段的有害信号以及该阶​​段固有的噪声。

电平转换
先前阶段的输出提供有关流的信息。信号的幅度反映了流体速度。如果输出与线圈励磁同相,则表示流向和反相标记流向相反。

该信号是双极性信号,可以使用通常固定为ADC参考值一半的小电压将其转换为单极性信号。

实现此目的的最简单方法之一是使用一个简单的加法器电路,该电路将馈入固定的参考电压和双极性信号。输出可以直接馈入ADC。例如,对于满量程输入范围为2.5V的ADC,固定参考电压可以为1.25V。如果ADC值高于1.25V,则流向是一个方向,如果低于1.25V,则流向是相反的方向。

设计注意事项
在电磁计的设计和开发过程中要注意的一些方面包括

单位增益差分放大器的参考端必须使用低阻抗源驱动。从高阻抗源驱动会导致较差的CMR。使用低阻抗源的简单方法是使用运算放大器缓冲器进行驱动。
在增益设置阶段(例如输入阶段,滤波和放大阶段)选择高精度电阻。
不要将未使用的运算放大器部分留在电路中。
交流电源线也可能引入振荡和噪声。流量管和电子设备正确接地将有助于最大程度地减少流量管和电子设备的接地。
根据流体和传感器的类型,每个传感器中可能会积累不同的DC。必须注意拒绝这种情况,仅处理感兴趣的信号分量。
必须使用高精度和高精度ADC才能获得更好的可靠性和准确性。

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