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图文解说:电磁流量计设计

ADI_Amy 員工 在 2016-8-5 建立的討論區

"若不能度量,则无法管理。"这是工业领域的一句口头禅,尤其适合于流量测量。简单说来,对流量监测的需求越来越多, 常常还要求更高速度和精度的监测。前不久ADI举办了在线研讨会“工业过程控制应用的电磁流量计设计 ”,我们已经分享了完整的讲义文档,需要的戳【在线研讨会讲义PPT下载】工业过程控制应用的电磁流量计设计 自取。

 

这里我们为大家讲解下讲义的部分内容

 

电磁流量变送器 ——信号链框图

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电磁流量传感器的特性是:无压力损耗,不受速度、密度、温度、压力和传导率的影响,可以实现高精度测量。

流量计系统由以下组件组成:电源、信号调理、转换器、处理器、显示键盘和多个通信组件,比如无线,RS485/422,4-20毫安电流,HART。

 

电磁流量变送器——传感器工作原理

其工作原理基于法拉第电磁感应定律。这意味着带电导体通过一个磁场并切割磁力线时在管道两侧将会产生感应电动势。电磁场是由电流流经测量管外面的线圈产生的。感应电压的幅度直接与速度和导体的电导率、管道直径以及磁场强度的成比例,具体来说,我们可以将法拉第定律表述为 E = K x B x D x V,其中V表示导电流体的速度,B表示磁场强度,D表示测量管段的直径,E表示电极上的电压,而K是一个常数。B、D、K可以是固定值,因此方程简化为E与V的比例关系。

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大部分电磁流量计使用低频率方波来激励传感器线圈。可以是1/25、1/16,1/10或者1/4 电网频率,以及电网频率的一半。低频方波励磁的幅度不变,但改变电流流入流出线圈的方向。

 

传感器信号调理——模拟前端共模抑制比

共模电压必须被电磁流量计转换器所抑制,模拟前端电路在其中所起的作用最大。如果电路具有对于120 分贝共模抑制比,则0.28V 共模电压可以降低至0.28 μV,而如果共模抑制比是100 dB,则抑制为2.8 μV。

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共模信号中的直流成分可以通过对信号进行交流耦合或者校准得以消除。但是,共模信号中的交流成分即使经过抑制也会呈现为噪声成分,出现在放大器输出端。它无法简单地通过交流耦合消除。必须采取措施,否则可能影响噪声性能。在120 dB共模抑制比的情况下,0.1V噪声下降至0.1μV。在100 dB共模抑制比的情况下,该噪声仅能抑制到最低1μV,因此共模抑制比参数很重要。

 

电磁流量计——信号处理电路架构比较

虽然具体的实现方式可能有所不同,电磁流量计的传感器信号处理可以分为模拟同步解调和数字过采样两种主要方法。

模拟解调是一种传统的方法,但现今仍然在业内使用广泛。它通常使用前置放大器,带通滤波放大器,采样保持,同步解调,模数转换器和微控制器。

 

下图显示典型的模拟同步解调电路的信号链。传感器输出的微伏或毫伏级信号首先被集成仪表放大器或者分立器件搭建的仪表放大器放大。

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要点是,前置放大器需要可以尽可能多地放大信号,但同时有不能使用过大的放大倍数以至于受到共模影响而输出饱和。第一级的增益通常不大于10倍。交流耦合信号采用带通滤波器来进一步放大信号到伏级。被放大后的信号经过由微处理器控制逻辑时序的采样保持和减法放大器,消除杂散并使之成为直流信号。直流信号进入模数转换器,它通常是16位分辨率,速率为几千赫兹。16比特模数转换器采样这种伏级和直流输入来说足够好。由于硬件电路消除瞬态干扰,完成了信号解调,信号被电路放大的数百倍之多,16位在低采样率ADC通常足够。由于ADC输出数据频率较低,因此微控制器的数据处理需求量也不大。

 

数字过采样不使用带通滤波放大器、采样保持、差分放大器等中间级电路。在之前的模拟信号处理在数字域内被实现。因为ADC的采样率高,模拟信号被预处理的少,所以数字域中的计算处理量就很大。这种架构需要更强大的微处理器。过采样的方法具有明显的优势:更少的元器件,更低的信号链物料成本,差分模拟信号的鲁棒性,有可能利用的ADC的共模抑制比,更多的数字信号处理的灵活性,可以监视传感器瞬时特性。

 

传感器信号调理——模拟前端噪声预算

一个典型的电网供电的电磁流量计的灵敏度通常在150μV/(米/秒)到200μV/(米/秒)之间。用175μV/(米/秒)这个中间值为例,由于交替电流方向激励,传感器对0.01米/ s的流速的输出为3.5μVP-P。它需要模拟前端噪声小于1.75μVP-P来分辨。

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ADI提供很多优秀低噪声仪表放大器,其中,AD8228折合到输入端噪声为0.5μVP-P,AD8220噪声0.94μVP-P。

对在信号链下游的ADC,建议把折算到放大器输入端的总噪声预算的三分之一分配给ADC。

 

模拟同步解调前端之前已经放宽对ADC噪声的要求,因为数百倍放大器的增益,通常采用16位ADC就足够。

 

数字过采样结构对ADC噪声性能有挑战性的要求,因为前置放大器增益通常不超过10倍,ADC必须有超过20+位分辨率的非常低的噪声。若要实时分辨0.005米/秒的流速,ADC必须至少有20.7位无噪声。

 

 

Demo测试

电路框图:伏到毫伏传感器输出信号首先由AD8228仪表放大器放大10倍,然后使用由AD8622组成带通滤波器放大50倍信号到伏级电平。经放大的信号通过使用采样和保持,AD8276减法放大器组成的同步解调电路成为直流信号,送到AD7192的Σ-△ADC。数字化的样本被送往从ADI的ARM Cortex-M3微处理器。微处理器还控制传感器线圈的激励,和各种输出信号,包括4-20mA电流,频率脉冲,并报警。隔离与ADuM744x 1千伏iCoupler数字隔离器实现的。

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评估结果:

下图显示了采用模拟信号同步解调架构的信号链包括所有的放大器和ADC噪声的噪声性能。电路板被连接到一个电磁流量信号模拟器。测试在每个ADC的输出数据速率各采集4096样本。结果显示±0.2%的典型峰 - 峰值分辨率即使在4800 赫兹 AD7192最高输出数据速率也能达到。

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系统校准测试结果

采用模拟信号同步解调架构的测试电路还在校准实验室里通过水流标定实验。它连接到一个电磁流量传感器。完整的信号处理前端电路,包括信号放大器输入级,带通滤波器,以及增益级和一个实际的流体系统进行测试。两块测试板在1米/秒至5米/秒范围内达到±0.2%的精度,0.055%重复性。

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过采样信号处理测试电路:

推荐方案_2A

该方案使用数字过采样架构,消除了带通滤波器和同步解调等中间电路。 AD7172-2超低噪声24比特ΣΔ模拟数字转换器使得用一个比较低的外部放大器增益成为可能。唯一的放大器增益这里是AD8220 JFET输入仪表放大器的10倍。OP07加匹配电阻分压器把AD8220的单端输出信号转换成差分信号给ADC,这样可以充分地利用ADC的共模抑制比来进一步衰减共模噪声。ADSP-BF504F数字信号处理器被用来处理数字算法,因为使用数字过采样的数据处理的工作量大很多。

 

该方案与我们的模拟同步解调的测试电路相比,能节省30%的成本和降低20%的噪声,并且占用小得多的电路板面积。

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推荐方案_2A

从图的方案2A衍生出一个更低成本的方案2A‘,在性能上几乎没有损失。因为AD7172-2集成有轨到轨输入的片内缓冲器并且可以支持多种输入类型,负责单端到差分转换的运算放大器和精密分压电阻被删除。 AD7172-2可以接受从AD8220输出的伪差分信号。从而该方案的成本与我们的模拟同步解调的方案相比降低40%以上。

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推荐方案_2B

有备用的方案总是很好的。方案B与方案A很相似,但方案B的单端信号转差分电路采用AD8475精密全差分漏斗放大器完成。这种方法的优点是更高的集成度,比采用分立电阻分压器的失真更小。 AD8475能驱动广泛多样的高精度ADC。

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带SDP-B的EMF-AFE框图

这是一款早期的测试电路板框图,在它上面测试了多种方案,包括用差分模拟输入方式实现了2A和2B,并测试了伪差分模拟输入的2A‘。除此之外,电路板还包括4种驱动器电路:线性稳压电流源,开关模式电流源,光耦合器隔离,iCoupler数字隔离。

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该测试电路由带有图形用户界面的计算机软件控制,通过ADI系统演示平台板进行通讯。全部的数据处理工作都在PC机上完成。软件还提供4-20毫安电流和频率脉冲输出。这些输出信号可以跟流量计标定系统接口,因此该测试电路板可以连接到电磁流量传感器和流量标定系统中进行性能测试。

 

下图是测试电路板的照片。该板包含三种不同的模拟前端选项,以及四种传感器驱动电路组合选择。因此它没有为电路板尺寸做优化。模拟前端电路位于板的左下方。传感器线圈激励电路位于左上方。可以看到金属外壳封装的功率晶体管,这是线性稳压电流源的一部分,巨大的尺寸。相比较而言,开关模式恒流电路占用小得多的面积。系统演示平台板负责通信和控制位于右下角。它通过一个微型USB接口连接到PC。

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过采样EMF-AFE (SDP-B)评估结果

放大器输入短路,折算到输入端峰峰值噪声(μV)和分辨率

该测试电路进行过噪声评估试验。下图的两张图显示了短接前级放大器输入,运行ADC在不同的输出数据速率的电路噪声结果。测试数据显示,折算到放大器输入端噪声在ADC 50赫兹输出数据率条件下仍然小于1μV峰峰值或超过20位的无噪声分辨率。该结果符合我在前面的讨论中提出的噪音预算分配。这意味着,在数据刷新速率高达50赫兹的条件下,该电路仍然可以分辨低至0.005米/秒的瞬时流速。

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连接到流量信号仿真器

下图测试小信号下的噪声和响应。在测试中,电路板通过一个精密分压电阻网络连接到电磁流量计信号仿真器,从而模拟1毫米,2毫米,和5毫米每秒的低流速信号的输出。结果显示了良好的线性响应特性,可以分辨5毫米每秒的瞬时流速。

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同步解调模数转换样本

由于模拟同步解调电路在测试电路上已经被取消,该功能必须在数字域中被完成。下图的波形图解释了同步解调如何在数字逻辑中被实现。

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计算机软件通过ADI系统演示平台板SDP-B发出两个专用定时器控制的线圈驱动器信号1和2来激励电磁流量传感器线圈或模拟器。

 

  • 传感器或模拟器输出与激励信号同步的信号。
  • 测试电路板在SDP-B板的SPI接口的控制,采集放大并数字化的传感器输出信号。
  • 流量算法需要知道的同步解调的逻辑时序。使用AD7172-2 SYNC / ERROR输入引脚采样驱动器控制信号1,在每一个A / D转换结果数据帧里包括该驱动控制信号的逻辑状态。
  • 按照驱动控制信号的逻辑状态把A / D采样两个 组。每个组中剔除尖峰,计算平均值。
  • 正相励磁半周的A/D平均值,减去负相励磁半周的A/D平均值,就得出跟瞬时流速成正比的A/D值。

 

需要做一些进一步处理以得到米/秒的结果,并校准零偏移,增益误差和非线性。累计体积流量也根据管径和运行计算得到。

 

下图以两个不同的流量条件下为例,解释了在数字域里同步解调算法是如何工作的。我们可以看到,A / D采样随时间在上下波动。随着时间切换的矩形波是由于交替激励传感器产生的。为了简化讨论,我们称之为正相和负相半周期。当使用这些A/D样点画统计直方图时,A/ D样点成为两个峰。根据这两个峰之间的距离能够计算出流速。例如,0.5米/秒A/D样点统计直方图的两个峰之间的分离是在0.1米/秒流速条件下的约5倍。对配置中的特定增益和灵敏度的流速约为5600的LSB每(米/秒)。我们传感器和电路的响应从0.1米/秒 到15米/秒流速范围内是相当线性的。

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結果