Точные измерения расхода жидкости в промышленных системах при помощи электромагнитных расходомеров

№ 4’2014
PDF версия
В различных промышленных системах, от оборудования на заводах по переработке нефти до торговых автоматов, для управления простыми и сложными процессами необходимо точное измерение температуры, давления, а также расхода жидкости. Так, в пищевой промышленности точное управление расходом жидкости при наполнении бутылок и банок может напрямую влиять на прибыль, и очевидно, что ошибки измерения необходимо минимизировать. Аналогичным образом, высокая точность измерения необходима, например, в нефтяной промышленности при перемещении сырой нефти и переработанного топлива из/в цистерну или танкер. В статье дается обзор технологий измерения расхода жидкости и детально обсуждаются электромагнитные расходомеры, которые являются одним из наиболее точных средств измерения расхода жидкости.

Структура системы управления технологическим процессом

На рис. 1 изображена базовая система управления технологическим процессом, в которой используется расходомер и исполнительный механизм, управляющий потоком жидкости. На самом нижнем уровне системы осуществляется контроль переменных параметров процесса, таких как температура, расход жидкости и концентрация газов. Эту функцию реализует модуль ввода, который обычно входит в состав программируемого логического контроллера (ПЛК). Полученные показания подвергаются локальной обработке пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором. Используя эту информацию, ПЛК устанавливает уровни выходных сигналов, необходимые для стабилизации процесса. Значения переменных параметров процесса, диагностические и иные данные могут передаваться на эксплуатационный уровень, а команды, установочные и калибровочные данные — на самый нижний уровень, к датчикам и исполнительным механизмам.

Базовая система измерения и управления расходом жидкости

Рис. 1. Базовая система измерения и управления расходом жидкости

 

Методы измерения расхода жидкости

Для измерения расхода используется множество различных технологий, включая технологии на основе дифференциального давления, эффекта Кориолиса, ультразвуковых и электромагнитных измерений. Расходомеры на основе дифференциального давления наиболее распространены, однако они чувствительны к изменениям давления в системе. Кориолисовые расходомеры потенциально обеспечивают наименьшую погрешность (до 0,1%), однако они дороги и имеют большие габариты. Ультразвуковые расходомеры достаточно малы и недороги, но их недостатком является ограниченная точность (типичное значение 0,5%). В ультразвуковых расходомерах используется бесконтактный метод измерения, который повышает надежность и минимизирует деградацию чувствительного элемента со временем, однако они не подходят для работы с загрязненными жидкостями.

Электромагнитные расходомеры также обеспечивают бесконтактное измерение. Их можно использовать для работы с кислотосодержащими, щелочными и ионизованными жидкостями, имеющими удельную электропроводность от 10 до 10–6 См/м, а также с чистыми, загрязненными, коррозионноактивными, эрозивными или вязкими жидкостями и растворами, но они не подходят для измерения расхода углеводородов или газа. Они способны поддерживать относительно низкую погрешность (0,2%) как для малых, так и для больших скоростей потока, при минимальном диаметре примерно 3,2 мм и максимальном объеме примерно 280 л. Показания сохраняют повторяемость даже при более низких скоростях. Датчики данного типа позволяют измерять скорость потока в обоих направлениях. Сравнение ряда распространенных технологий измерения расхода жидкости приведено в таблице 1.

Таблица 1. Технологии промышленных расходомеров

 

Электромагнитные

На основе разности давления

Ультразвуковые

Кориолисовые

Метод измерения

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Дифференциальный: емкостный или на базе мостовых схем

Кросс-корреляция, преобразование задержки в цифровой код, доплеровский

Дифференциальный фазовый

Средняя погрешность, %

0,2–1

0,5–2

0,3–2

0,1

Средняя стоимость, $

300–1000

300–1000

300–1000

3000–10000

Преимущества

Отсутствуют подвижные части.

Подходит для коррозионно-активных жидкостей.

Измерение расхода в двух направлениях.

Отсутствуют подвижные части.

Универсальный, может использоваться для жидкостей/газов.

Отсутствуют подвижные части.

Универсальный, может применяться для анализа функционирования (post-installation).

Универсальный, может использоваться
практически для любых жидкостей/газов.

Не зависит от давления и температуры.

Электромагнитные расходомеры

В электромагнитных расходомерах используется закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что движение проводника в магнитном поле порождает напряжение. В роли проводника в данном случае выступает жидкость, а магнитное поле порождается возбуждаемыми катушками с наружной стороны трубы, по которой эта жидкость протекает. Величина наводимого напряжения прямо пропорциональна скорости проводника, его типу, диаметру трубы и напряженности магнитного поля, как показано на рис. 2.

Электромагнитный расходомер

Рис. 2. Электромагнитный расходомер

Математически закон Фарадея может быть описан формулой:

E = k × B × L × V,

где V — скорость проводящей текучей среды; B — напряженность магнитного поля; L — расстояние между электродами, на которых наводится напряжение; E — напряжение на электродах; k — константа. B, L и k фиксированы или могут быть откалиброваны, поэтому формула упрощается до E V (пропорционально V).

Управляемое электромагнитное поле порождается током, протекающим через катушки электромагнита. Важным аспектом электромагнитных расходомеров является форма используемого сигнала возбуждения. На практике применяется множество различных типов сигналов возбуждения, включая низкочастотные прямоугольные колебания, синусоидальные сигналы на частоте сети питания, двухчастотные колебания и колебания с программируемой длительностью импульса. Примеры сигналов возбуждения катушек датчика приведены в таблице 2.

Таблица 2. Типы, формы и особенности сигналов возбуждения датчиков

Тип сигнала возбуждения

Временная диаграмма

Особенности

Возбуждение постоянным током

Возбуждение постоянным током

Используется с 1832 г. Применяется для измерения расхода жидкого металла в атомной энергетике. Поляризация отсутствует.

Переменный синусоидальный сигнал

Переменный синусоидальный сигнал

Используется с 1920 г. Коммерческое применение с 1950 г. Низкое напряжение поляризации, низкие электромагнитные помехи и малый дрейф нуля.

Низкочастотный меандр

Низкочастотный меандр

Используется с 1975 г. Частота равна 1⁄16–1/2 частоты сети питания. Низкий дрейф нуля, менее чувствителен к серозным жидкостям с высоким уровнем шума.

Низкочастотный сигнал с тремя состояниями

Низкочастотный сигнал с тремя состояниями

Используется с 1978 г. Напряжение нуля требует калибровки в отсутствие тока возбуждения. Низкая мощность. Скважность равна 1/2 скважности меандра.

Двухчастотный сигнал

Двухчастотный сигнал

Модуляция сигнала на 1⁄8 от частоты сети питания сигналом большей частоты. Способна минимизировать шум серозных жидкостей. Малый дрейф нуля. Быстрый отклик. Сложность формирования.

Сигнал с программируемой шириной импульса

Сигнал с программируемой шириной импульса

Используется микропроцессор для управления шириной и частотой импульсов возбуждения. Устойчив к шуму серозных жидкостей.

В большинстве задач для возбуждения катушки датчика применяется низкочастотное прямоугольное колебание на частоте, равной 1/25, 1/16, 1/10, 1/8, 1/4 или 1/2 от частоты сети питания (50 Гц/60 Гц). Для поддержания близкого к нулю дрейфа при формировании низкочастотного возбуждающего колебания используется ток с постоянной амплитудой и переменным направлением. Переключением направления тока управляет транзистор или Н‑образная мостовая схема на полевых МОП-транзисторах (MOSFET). Когда ключи SW1 и SW4 замкнуты, а ключи SW2 и SW3 разомкнуты (рис. 3a), катушка датчика возбуждается в положительной фазе, а постоянный ток втекает в EXC+ и вытекает через EXC–. Когда SW1 и SW4 разомкнуты, а SW2 и SW3 замкнуты (рис. 3б), катушка датчика возбуждается в отрицательной фазе, а постоянный ток втекает в EXC– и вытекает через EXC+.

Управление фазами возбуждения катушки датчика при помощи Н образного моста

Рис. 3. Управление фазами возбуждения катушки датчика при помощи Н образного моста:
а) положительная фаза возбуждения;
б) отрицательная фаза возбуждения

По сравнению с другими методами измерения расхода, токи, используемые для возбуждения электромагнитных измерителей, довольно велики. В большинстве случаев в измерителях, питаемых от сети, применяется ток в диапазоне 125–250 мА. При больших диаметрах трубы может потребоваться ток до 500 мА или 1 A. На рис. 4 приведен пример схемы прецизионного генератора тока возбуждения 250 мА для катушки датчика. Опорное напряжение 1,2 В для задания тока формируется источником ADR3412 с дрейфом 8 ppm/°C.

Источник втекающего тока с линейной стабилизацией

Рис. 4. Источник втекающего тока с линейной стабилизацией

Комбинация источника опорного напряжения, усилителя и транзисторной схемы, используемая в этом традиционном методе формирования тока, обеспечивает высокую точность и низкий уровень шума. В то же время недостатком схемы являются значительные потери мощности из-за линейного падения большого напряжения при большом токе. Высокая рассеиваемая мощность требует применения теплоотвода, который увеличивает габариты и стоимость системы. Большую популярность в последнее время приобретает формирование постоянного тока возбуждения с помощью импульсных источников питания. На рис. 5 изображен синхронный понижающий преобразователь постоянного напряжения ADP2441 в конфигурации, обеспечивающей постоянный выходной ток. Данная схема позволяет избежать потерь, характерных для стандартных источников, и значительно повысить характеристики системы.

Схема импульсного источника постоянного тока возбуждения

Рис. 5. Схема импульсного источника постоянного тока возбуждения

В диагностических целях в системах с высокой мощностью производится измерение тока возбуждения для отслеживания его изменений в зависимости от условий нагрузки, напряжения питания, температуры и во времени, а также детектирования обрывов в цепях катушек датчика. Для реализации данной функции может быть использован усилитель — датчик тока AD8219, обладающий коэффициентом усиления 60 В/В и погрешностью 0,3% в диапазоне синфазных напряжений 80 В. Схема измерения тока с гальванической развязкой показана на рис. 6. Кроме AD8219, она включает в себя изолированый Σ∆-модулятор AD7400A и фильтр нижних частот 4‑го порядка на базе усилителей AD8646, воссоздающий эквивалентное измеренному току аналоговое напряжение.

Измерение тока возбуждения с гальванической развязкой

Рис. 6. Измерение тока возбуждения с гальванической развязкой

 

Выбор измерительного элемента

Еще один важный вопрос — выбор электрода или измерительного элемента. Основной метод измерения — емкостный, который имеет две разновидности: с электродами, монтируемыми с наружной стороны трубы, и, более широко распространенный, с электродами, помещаемыми в трубу и омываемыми жидкостью.

Существует множество различных материалов электродов, каждый из которых обладает уникальным набором характеристик, включая температурный дрейф, скорость корродирования и потенциал электрода. Наилучший выбор заключается в применении материала с высокой рабочей температурой (>+100 °C) и низкой скоростью корродирования (<0,5 мм в год). В таблице 3 перечислены некоторые типичные материалы электродов и их стандартные потенциалы.

Таблица 3. Материалы датчиков и потенциалы напряжения

Металл

Стандартный потенциал, В

Металл

Стандартный потенциал, В

Магний

–2,34

Никель

–0,25

Бериллий

–1,7

Свинец

–0,126

Алюминий

–1,67

Медь

+0,345

Марганец

–1,05

Серебро

+0,8

Цинк

–0,762

Платина

+1,2

Хром

+0,71

Золото

+1,42

Хорошим примером высококачественного материала электрода является платина. Она обладает скоростью корродирования менее 0,005 мм в год и может работать при температурах среды до +120 °C. В то же время электроды из платины обладают сравнительно высоким потенциалом (1,2 В). Этот потенциал проявляется в виде синфазного напряжения, которое необходимо подавить. Синфазное напряжение, возникающее при использовании электродов из нержавеющей стали, составляет всего несколько сотен милливольт, и оно легко устраняется. Нержавеющая сталь широко используется для измерения расхода жидкостей с низкой коррозионной активностью.

Если электроды изготовлены из одинакового материала и имеют одинаковые размеры и качество поверхности, на них будет появляться одинаковый потенциал. Однако на практике напряжение поляризации медленно флуктуирует из-за физического трения или электрохимических эффектов, возникающих между жидкостью и электродами. Любое рассогласование в параметрах электродов также будет проявляться в виде дифференциального шума. Напряжение смещения в сумме с потенциалом электрода дают синфазное напряжение в диапазоне от нескольких сотен милливольт примерно до 1 В на входе усилителя первого каскада, поэтому электронные схемы должны обладать адекватным коэффициентом ослабления синфазного сигнала. На рис. 7 приведена осциллограмма потенциала электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и шумом, имеющим размах 0,1 В. Данный рисунок относится к электродам из нержавеющей стали № 316, установленным в водопроводной трубе диаметром 50 мм.

Потенциал электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и синфазным напряжением шума размахом 0,1 В

Рис. 7. Потенциал электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и синфазным напряжением шума размахом 0,1 В

 

Роль инструментальных усилителей

Типичный диапазон измеряемых скоростей потока составляет от 0,01 до 15 м/с (динамический диапазон измерений 1500:1). Типичный электромагнитный расходомер с питанием от сети имеет чувствительность от 150 мкВ/(м/с) до 200 мкВ/(м/с). Таким образом, датчик с чувствительностью 150 мкВ/(м/с) будет формировать напряжение с размахом 3 мкВ при измерении двунаправленного потока со скоростью 0,01 м/с. При отношении сигнал-шум 2:1 полный приведенный ко входу шум не должен превышать 1,5 мкВ. Скорость потока изменяется довольно медленно, с низкой частотой, поэтому критически важным параметром является уровень шума в полосе 0,1–10 Гц. Кроме того, датчик может иметь довольно высокое выходное сопротивление. Учитывая эти факторы, входной усилитель должен обладать низким шумом, высоким ослаблением синфазного сигнала и малым входным током смещения.

Синфазное выходное напряжение датчика ослабляется на величину коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) входного (интерфейсного) усилителя. При КОСС, равном 120 дБ, постоянное напряжение смещения 0,28 В уменьшается до 0,28 мкВ. Это смещение может быть устранено калибровкой или использованием связи по переменному току. Динамическая составляющая проявляется в виде переменного шума на выходе усилителя, который ухудшает минимальный детектируемый уровень. При КОСС, равном 120 дБ, шум с размахом 0,1 В уменьшается до 0,1 мкВ.

Выходное сопротивление датчика может составлять от нескольких десятков Ом до 107 Ом, в зависимости от типа электрода и проводимости жидкости. Для минимизации потерь входной импеданс интерфейсного усилителя должен быть значительно выше выходного сопротивления датчика. Это требует применения компонентов с входным каскадом на КМОП-транзисторах или полевых транзисторах с управляющим p‑n‑переходом (JFET), которые имеют высокое входное сопротивление. Низкие входные токи смещения интерфейсного усилителя также крайне важны для поддержания минимальных значений шума тока и синфазного напряжения. Характеристики ряда рекомендуемых усилителей приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики некоторых инструментальных усилителей

Модель

Коэффициент усиления

ZIN

КОСС (дБ, мин.) от нуля до 1 кГц, G = 0

Шум 1/f, мкВP-P

IBIAS, пА

Напряжение питания, В

AD620

1–10 000

109 Ом || 2 пФ

100

0,55

500

от ±2,3 до ±18

AD8220

1–1000

1013 Ом || 5 пФ

100

0,94

10

от ±2,25 до ±18

AD8221

1–1000

1011 Ом || 2 пФ

110

0,5

200

от ±2,3 до ±18

AD8228

10, 100

1011 Ом || 2 пФ

100

0,5

400

от ±2,3 до ±18

AD8421

1–10 000

3×1010 Ом || 3 пФ

114

0,5

100

от ±2,5 до ±18

На рис. 8 изображен расходомер на базе прецизионного инструментального усилителя AD8228. Интерфейсный усилитель ослабляет синфазное напряжение и одновременно усиливает слабый сигнал датчика. Грамотно спроектированная топология и лазерная подгонка резисторов позволяют компоненту гарантированно поддерживать заявленные в спецификации значения погрешности коэффициента усиления, дрейфа коэффициента усиления и ослабления синфазного сигнала. В целях минимизации тока утечки выходной сигнал высокоимпедансного датчика можно окружить немаскированным защитным проводником, как показано на рис. 8.

Схема подключения входного усилителя к электромагнитному расходомеру

Рис. 8. Схема подключения входного усилителя к электромагнитному расходомеру

Коэффициент усиления первого каскада обычно выбирается равным от 10 до 20, но не выше, поскольку, с одной стороны, слабый сигнал необходимо усилить перед постобработкой, а с другой — смещение постоянной составляющей должно поддерживаться на достаточно низком уровне во избежание насыщения последующих каскадов.

 

Фильтрация шумов

За входным каскадом следует активный полосовой фильтр, который устраняет постоянную составляющую и устанавливает коэффициент усиления, позволяющий полностью использовать динамический диапазон следующего за ним АЦП. Частота сигнала возбуждения датчика выбирается в диапазоне 1/25–1/2 от частоты сети питания и определяет значения частот среза полосового фильтра. Схема полосового фильтра для электромагнитного расходомера изображена на рис. 9.

Полосовой фильтр

Рис. 9. Полосовой фильтр

Первый каскад фильтра представляет собой фильтр верхних частот с единичным коэффициентом усиления, связью по переменному току и частотой среза 0,16 Гц. Передаточная характеристика первого каскада фильтрации имеет вид:

H (ω) = (jωR91 C/(1+jωR91 C)) × (1+((R97/R98)/(1+jωR97 C162))) × ((jωR94 C152)/(1+jωR94 C152)) × ((–R95/R89)/(1+jωR95 C160))

Совместно с последующими каскадами он образует полосовой фильтр с нижней частотой среза 0,37 Гц, верхней частотой среза 37 Гц, пиковым значением характеристики 35,5 дБ на частоте 3,6 Гц, скоростью спада характеристики –40 дБ на декаду и эквивалентной полосой шума 49 Гц. Выбираемый для данного каскада усилитель не должен вносить дополнительный шум в систему.

При использовании малопотребляющего прецизионного операционного усилителя AD8622, обладающего уровнем шума 1/f, равным 0,2 мкВ (полный размах), и широкополосным шумом с плотностью 11 нВ/Гц, приведенное ко входу среднеквадратическое напряжение шума составляет 15 нВ. Эквивалентный уровень шума, приведенный ко входу усилителя, равен 1,5 нВ (с. к.з.), и он пренебрежимо мал по сравнению с уровнем шума датчика (±1,5 мкВ при скорости потока 0,01 м/с). Сложение источников шума, включая синфазное напряжение, шум входного усилителя и шум полосового фильтра, по закону корня суммы квадратов дает среднеквадратическое напряжение шума, приведенное ко входу AD8228, равное 0,09 мкВ (размах приблизительно 0,6 мкВ).

Выходной сигнал фильтра содержит информацию о скорости потока в амплитуде и направлении потока в фазе. Этот биполярный сигнал демодулируется при помощи аналоговых ключей, конденсаторов хранения и усилителя разностного сигнала, как показано на рис. 10. Аналоговые ключи должны обладать низким сопротивлением во включенном состоянии и умеренной скоростью коммутации. Микросхема ADG5412, содержащая четыре высоковольтных, устойчивых к эффекту «защелкивания» ключа типа SPST (однополюсный ключ на одно направление) с типичным RON = 9,8 Ом и частотной неравномерностью RON = 1,2 Ом, не вносит существенных погрешностей усиления и искажений в сигнал.

Схема синхронного демодулятора

Рис. 10. Схема синхронного демодулятора

Интерфейс с АЦП, имеющим диапазон полной шкалы входного сигнала 5 В, обеспечивается при помощи малопотребляющего, недорогого усилителя разностного сигнала с единичным коэффициентом усиления AD8276. Его вывод REF подключается к опорному напряжению 2,5 В для отображения биполярного выходного сигнала усилителя в однополярном диапазоне входных напряжений АЦП. Выходные напряжения выше 2,5 В соответствуют протеканию жидкости в прямом направлении, а ниже 2,5 В — в обратном.

 

Выбор АЦП

При анализе бюджета погрешностей системы основной вклад обычно дает датчик, погрешность которого может составлять 80–90% от общей погрешности. В соответствии с требованиями международного стандарта на электромагнитные расходомеры повторяемость измерений должна быть лучше, чем 1/3 от максимальной девиации системы при температуре +25 °C и постоянной скорости потока. При общем бюджете погрешности, равном 0,2%, повторяемость должна быть лучше 0,06%. Если 90% этого бюджета отнимает датчик, то максимальная допустимая погрешность электронных схем должна быть равна 60 ppm.

Для минимизации погрешностей можно усреднить выходные отсчеты АЦП. Так, например, из каждых пяти отсчетов можно отбросить максимальный и минимальный и усреднить оставшиеся три. АЦП в этом случае должен выдавать пять отсчетов в течение каждого интервала стабилизировавшегося состояния сигнала (последние 10% периода возбуждения). Для этого частота дискретизации АЦП должна быть, по меньшей мере, в 50 раз больше частоты возбуждения датчика. То есть при максимальной частоте возбуждения 30 Гц минимально необходимая частота дискретизации составляет 1500 Гц. Дальнейшее повышение частоты дискретизации позволяет усреднить больше отсчетов данных и, как следствие, улучшить подавление шума и добиться большей точности.

Перечисленным выше требованиям соответствуют АЦП на основе Σ∆-архитектуры, которые поддерживают превосходные характеристики шума и имеют умеренное быстродействие. Благодаря эффективному разрешению 16,5 бит без шумов при частоте выходных данных 4800 Гц Σ∆-АЦП AD7192 прекрасно подходит для применения в электромагнитных расходомерах. В таблице 5 приведены значения его эффективного разрешения в зависимости от коэффициента усиления и частоты выходных данных.

Таблица 5. Эффективное разрешение AD7192 при различных значениях коэффициента усиления и частоты выходных данных

Слово конфигурации фильтра

(десятичное значение)

Частота выходных данных, Гц

Время установления,
мс

Усиление
1*

Усиление
8*

Усиление 16*

Усиление 32*

Усиление 64*

Усиление 128*

1023

4,7

852,5

24 (22)

24 (22)

24 (21,5)

24 (21,5)

23,5 (21)

22,5 (20)

640

7,5

533

24 (22)

24 (21,5)

24 (21,5)

23,5 (21)

23 (20,5)

22,5 (20)

480

10

400

24 (21,5)

23,5 (21)

23,5 (21)

23,5 (21)

23 (20,5)

22 (19,5)

96

50

80

22 (19.5)

22 (19,5)

22 (19,5)

22 (19,5)

21,5 (19)

21 (18,5)

80

60

66,7

22 (19.5)

22 (19,5)

22 (19,5)

21,5 (19)

21,5 (19)

20,5 (18)

40

120

33,3

22 (19.5)

21,5 (19)

21,5 (19)

21,5 (19)

21 (18,5)

20,5 (18)

32

150

26,7

21,5 (19)

21,5 (19)

21,5 (19)

21 (18,5)

21 (18,5)

20 (17,5)

16

300

13,3

21,5 (19)

21,5 (19)

21 (18,5)

21 (18,5)

20,5 (18)

19,5 (17)

5

960

4,17

20,5 (18)

20,5 (18)

20,5 (18)

20 (17,5)

19,5 (17)

19 (16,5)

2

2400

1,67

20 (17,5)

20 (17,5)

19,5 (17)

19,5 (17)

19 (16,5)

18 (15,5)

1

4800

0,83

19 (16,5)

19 (16,5)

19 (16,5)

18,5 (16)

18,5 (16)

17,5 (15)

Примечание: * — в скобках указано значение разрешения, полностью свободного от шума.

На рис. 11 изображена схема подключения АЦП, которая включает выходной каскад демодулятора и микропотребляющий прецизионный источник опорного напряжения 2,5 В ADR3425.

Схема подключения АЦП

Рис. 11. Схема подключения АЦП

В некоторых областях применения, например в задаче розлива напитков, необходимо применение более высоких частот сигнала возбуждения датчика. Возбуждение катушек датчика сигналом с частотой 150 Гц позволяет выполнять процесс розлива примерно за одну секунду. Требования к шуму в этом случае сохраняются, однако АЦП должен иметь большее быстродействие. Сигма-дельта АЦП AD7176-2 обладает временем установления 20 мкс и поддерживает разрешение 17 бит без шума при частоте дискретизации 250 kSPS, а также обеспечивает подавление гармоник с частотой 50 Гц и 60 Гц на 85 дБ.

 

Тестирование аналоговой сигнальной цепочки

Обсуждавшиеся в данной статье составные блоки были использованы для возбуждения и тестирования электромагнитного датчика расхода жидкости в калибровочной лаборатории. Полнофункциональный входной интерфейс, включающий в себя входной каскад с высоким КОСС, полосовой фильтр и усилительный каскад, также был испытан в составе реальной системы. При тестировании двух плат была достигнута точность ±0,2% в диапазоне измерения от 1 до 5 м/с при повторяемости 0,055%. Эти результаты хорошо коррелируются с международными стандартами. Сигнальная цепочка электромагнитного расходомера изображена на рис. 12.

Электромагнитный расходомер

Рис. 12. Электромагнитный расходомер

Процессы возбуждения датчика и измерения напряжения определяют общие характеристики системы, поскольку сигнал с амплитудой, равной милливольтам, который формируется на электродах, в конечном итоге преобразуется в измеренное значение скорости потока. Полученные показания могут передаваться в системный контроллер при помощи ряда протоколов связи, включая RS‑485 и интерфейс токовой петли 4–20 мА. Ключевые преимущества токовой петли состоят в том, что данный интерфейс не подвержен влиянию падения напряжения в проводах, может использоваться для передачи информации на большие расстояния и более устойчив к шумам по сравнению с интерфейсами, в которых информация передается напряжением. В заводских системах автоматизации более распространены протоколы цифровых шин, которые обеспечивают высокую скорость связи на небольших расстояниях с использованием дифференциальных напряжений. На рис. 13 изображена схема передачи информации по токовой петле 4–20 мА с применением протокола HART. На рис. 14 показано решение для передачи данных при помощи интерфейса RS‑485 с гальванической развязкой.

Передача информации через интерфейс токовой петли 4–20 мА с использованием протокола HART

Рис. 13. Передача информации через интерфейс токовой петли 4–20 мА с использованием протокола HART

Приемопередатчик RS 485 с гальванической развязкой

Рис. 14. Приемопередатчик RS 485 с гальванической развязкой

Для поддержания безопасных уровней напряжений на стороне пользовательского интерфейса и предотвращения передачи импульсных бросков напряжения от источника между каналом связи и системным контроллером обычно реализуется гальваническая развязка. В таблице 6 приведен перечень компонентов для различных стандартов связи, обладающих наивысшим уровнем интеграции.

Таблица 6. Интегрированные схемы для промышленных систем сбора данных

Выходной
интерфейс

Решение

Описание

Достоинства

4–20 мА

AD5410/AD5420

Одноканальный, 16-разрядный ЦАП с выходом тока.

Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала. Программируемые диапазоны тока/напряжения.

4–20 мА

AD5412/AD5422

Одноканальный, 16-разрядный ЦАП с выходом тока и напряжения, поддержка интерфейса HART.

Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала.

Программируемые диапазоны тока/напряжения.

4–20 мА

AD5750

Промышленный драйвер с выходом тока/напряжения, программируемый рабочий диапазон.

Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала. Программируемые диапазоны тока/напряжения. Проверка CRC. Диапазоны с отрицательным током.

HART

AD5700

Малопотребляющий модем HART.

Максимальный потребляемый ток в режиме приема 115 мкА. Интегрированный полосовой фильтр. Минимальное количество необходимых внешних компонентов.

RS-232

ADM3251E

Изолированный одноканальный драйвер/приемник RS-232.

Защита от электростатического разряда по выводам RIN и TOUT. ±8 кВ: контактный разряд. ±15 кВ: бесконтактный разряд.

CAN BUS

ADM3053

Приемопередатчик CAN с гальванической развязкой сигнальных линий и питания, выдерживаемое напряжение 2,5 кВ (с.к.з.).

Функции ограничения тока и отключения при перегреве для защиты от короткого замыкания по выходу.

RS-485

ADM2582E

Дуплексный/полудуплексный приемопередатчик RS-485 с гальванической развязкой сигнальных линий и питания, выдерживаемое напряжение 2,5 кВ ср.кв., защита от электростатического разряда до ±15 кВ.

Защита входов приемника от обрыва цепи и короткого замыкания. Защитное отключение при перегреве.

 

Заключение

Электромагнитные датчики являются одним из наиболее распространенных средств измерения расхода жидкости на сегодня. Они преобладают в задаче измерения жидкостей и приобрели особую популярность в Европе в области очистки сточных вод. Основными тенденциями при проектировании электромагнитных расходомеров являются уменьшение площади печатных плат и повышение точности измерения. Характеристики проектируемых систем определяются преимущественно аналоговым входным блоком, что требует применения малошумящего усилителя с высоким импедансом и высоким КОСС и сигма-дельта АЦП с низким шумом и высоким разрешением. В будущем при создании электромагнитных расходомеров потребуются АЦП с еще большей производительностью. Компоненты семейства АЦП AD719x удовлетворяют требованиям современных систем, а преобразователи семейства AD7176 обладают достаточной производительностью для систем следующего поколения. Линейки преобразователей напряжения с высоким КПД, интегрированных интерфейсных компонентов, АЦП с высоким разрешением, прецизионных усилителей и источников опорного напряжения компании Analog Devices позволят разработчикам создавать новые проекты, отвечающие всем требованиям с запасом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *