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ADI读书活动第五十七期:电磁流量计的工作原理及系统解...

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发表于 2016-8-7 15:16:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
电磁流量计的工作原理及系统解决方案

一,电磁流量计的工作原理:
基于法拉第电磁感应定律,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:
E=kBDv
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。
2.png
图1,磁流量计工作原理
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。
可用于测量污水、泥浆、矿浆、纸浆、化学纤维浆、玉米糖浆、果汁、酒类、药物、血浆及其他介质。特别适合食品、制药等行业。
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。传统模拟式的放大滤波电路方式也正被数字式过采样方案所取代。

二,电磁流量计的驱动
放大器和ADC 是此类应用中最重要的两个模块。
1,以下是放大器的关健要求。
一是共模抑制比 (CMRR)。
前置放大器不仅要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,以消除流体产生的极化电压和高频共模电压。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AD8220B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90dB,能够很好地将共模电压和噪声抑制到微伏水平。
二是低漏电流和高输入阻抗,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1013 Ω,因此它能支持电磁流量传感器的广泛输出特性。
2,ADC的选型要点
由于过采样架构,要求ADC数据速率大于20 kSPS,越快越好。另外传感器的上升沿未经滤波,因此ADC 在上升沿和下降沿期间 须具有足够高的分辨率,以便足够准确地捕捉这些边沿。
AD7172-2 提供低输入噪声和高采样速度的完美组合,特别适合电磁流量应用。采用2.5外部基准电压源时,AD7172-2的典型噪声低至0.47μV p-p。这意味着,最终流量结果的刷新速率可以达到50SPS,而不需要增加外部放大级。

三,ADI公司针对电磁流量计解决方案
ADI公司还开发了一款系统级参考设计,用以支持电磁流量计完整信号链的原型开发。该系列配置灵活,可连接到任何类型的电磁流量传感器,施加适当的激励频率和电压即可产生磁场(由Blackfin 数字信号处理器控制),能够测量传感器输出,以及应用后处理滤波器和算法来计算流速。ADI公司在真实的流量试验台环境中对设计进行标定(如下图所示),并将标定系数存储在非易失存储器中。支持单点或多点校准,通过多点线性化可实现更高的性能。这样做的结果表明:该模拟前端设计的性能可以达到领先高端流量计的要求。

3.png
四,总结
全世界有越来越多的环境法规要求监测和控制来自住宅、商业和工业的废弃物。电磁流量技术是此类应用的首选技术。传统方法基本上是模拟方法,它有一些缺点,表现在成本、面积、功耗、响应时间、有限的系统信息等方面。行业趋势是转向过采样方法。这给ADC 要求带来了重大挑战,因为更新速率会提高10 倍左右,但平均值的好处得不到利用,ADC 在高数据速率下的噪声要求也需进一步提高。另外还有功耗挑战需要解决。液体和管道直径均有很多类型,这就需要能够动态控制功耗,通过一种支持所有类型传感器需求的设计来将功耗降至最低。Blackfin 数字信号处理器集低功耗和高处理能力于一体,满足流量计应用的要求。它执行复杂的FIR滤波器算法来计算流速,同时具有领先的800 MMACS处理能力,而功耗不足100 mW。完整设计相比于之前的技术大大简化,而且可节省成本、功耗和面积,优势众多。

更详细内容请参阅:
http://www.analog.com/library/analogDialogue/china/archives/50-06/electromagnetic-flow-meters.html

进入有奖互动的环节:
Q1,简述一下电磁流量计的工作原理
Q2, 电磁方法测量的是体积流量,对哪些参数是不敏感的?
Q3,在’ 电磁流量计的驱动’段落中介绍了ADI公司的一款放大器和一款ADC,型号分别是?
Q4, 在过采样方式的电磁流量计应用中最重要的两个模块分别是?
Q5, 简述一下ADI公司针对电磁流量计解决方案有哪些特点和优势?


各位伙伴们快来参加吧!

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