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磷酸流量计:设计考虑和解决方案
浏览:42 发布日期:2018-07-30
当今有哪些工业领域使用流量计?
"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。有几个领域中,工业流量 测量很重要,比如生活废弃物。随着人们越来越关注环境保护, 为使我们的世界更干净卫生、污染更少,废弃物的处置和监测 就变得非常重要。人类消耗着大量的水,随着全球人口增长, 用水量会越来越大。流量计至关重要,既能监测生活废水,也 是污水处理厂过程控制系统不可或缺的一部分。
 
 
图1. 污水处理厂简图
 
流量计还被用于许多工业控制过程,包括化学/制药、食品饮 料、纸浆造纸等。此类应用常常需要在有大量固体存在的情况 下测量流量 — 大部分流量技术不能轻松胜任这一要求。
 
输送计量领域处理两方之间的产品转移和支付,需要高端流量 计。实例之一是通过大型管道系统输送油品。在这种应用中, 流量测量精度随时间的变化即便很微小,也可能导致某一方损 失或获得重大利益。
 
电磁感应技术为什么非常适合液体流量测量?
对于液体流量测量,电磁流量计技术有多种优势。它的传感器 一般是连接到管道中,其直径与管道直径一致,因而测量时不 会干扰或限制介质的流动。由于传感器不是直接浸没在液体 中,没有活动部件,因此不存在磨损问题。
 
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。一旦用水标定电磁流量计, 就可以使用它来测量其他类型的导电流体,无需进一步标定。 这是其他类型流量计所不具备的一个重要优势。
 
电磁流量计特别适合测量固液两相介质,例如泥浆等带悬浮泥 土、固体颗粒、纤维或粘稠物的高导电率介质。它可用于测量 污水、泥浆、矿浆、纸浆、化学纤维浆及其他介质。这使得它 特别适合食品、制药等行业,利用它可测量玉米糖浆、果汁、 酒类、药物、血浆及其他许多特殊介质。
 
电磁流量计的工作原理是什么?
电磁流量计的工作原理基于法拉第电磁感应定律。根据法拉第 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:
 
 
 
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。
 
 
图2. 磁流量计工作原理
 
传感器输出范围是多少?
传感器提供差分输出。其灵敏度典型值为150 μv/(mps)至200 μv/ (mps)。由于激励电流的方向不断交替,因而传感器输出信号 幅度会加倍。对于0.5 米/秒至15 米/秒的流速测量范围,传感 器输出信号幅度在75 μv 至4-6 mV 之间。图3 显示了用恒流 源激励且有流体流经传感器时的传感器输出信号。在传感器输 出引线上捕捉到的示波器图显示,有一个电平非常低的信号位 于较大共模电压上。紫色曲线对应正电极,红色曲线对应负电 极。粉色曲线是将正负电极相减的数学计算通道。低电平信号 位于较大共模电压之中。
 
 
图3. 电磁流量传感器的输出信号
 
传感器测量的传统方法是什么?
传统方法大致上是模拟式 — 具有高输入阻抗和高输入共模 抑制性能的前置放大器用来应对传感器漏电流效应,然后是三 阶或四阶模拟带通滤波器和采样保持级,最后是模数转换。典 型模拟前端方法如图4 所示。传感器输出信号首先经由仪表放 大器放大。必须尽量放大目标信号,同时要避免不需要的直流 共模电压引起放大器输出饱和。这通常会将第一级仪表放大器 的增益限制在最多10 倍。带通滤波器级进一步消除直流影响, 并再次放大信号,然后进入采样保持电路 — 正是这个差值信 号代表流速 — 随后送至模数转换器。
 
 
图4. 传统模拟前端方法
 
影响电磁流量计架构变化的市场趋势有哪些? 
有多种行业趋势在呼唤新架构。其中之一是对数据日益增加的 需求。对于液体,监测除流量外的其他属性的能力正在变得越 来越有价值。例如,为了确定液体中可能有哪些污染物,或者 为了确定液体是否有适合特定应用的正确密度/粘度。增加这 种诊断能力有许多此类要求和好处。利用传统模拟方法是无法 轻松获取此类信息的,因为大部分传感器信息会在同步解调阶 段中丢失。
 
另外,制造工艺持续要求提高生产力和效率。例如在液体投注/ 灌装应用中,增加的灌装节点越来越多;制造工艺规模的扩大, 灌装速度的提高,要求更快速、更精确的流量监测。
 
 
图5. 液体投注/灌装
 
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。
 
新的电磁流量计架构是什么样子?
过采样方法大大简化了模拟前端设计。模拟带通滤波器和采样 保持电路不再需要。电路中的前置放大器仅有一级仪表放大器 — 在我们的例子中是AD8220 JFET 输入级轨到轨输出仪表放 大器,它可以直接连接到高速Σ-Δ 型转换器。
 
 
图6. 采用AD8220 和AD717x-x 的过采样架构模拟前端
 
对于模拟前端,重要的是什么,它如何影响我的设计?
放大器和ADC 是此类应用中最重要的两个模块。第一级放大 器有几项关健要求。
 
一个要求是共模抑制比 (CMRR)。液体电解质中的离子会发生 定向运动,因此,电极与流体之间会产生电势,这就是所谓极 化。如果两个电极完全一致,电极上的电势应彼此相等。不同 金属的极化电压在数百毫伏到±2 伏之间不等。这是出现在传 感器输出端和前置放大器输入端的直流共模电压。前置放大器 是抑制此共模电压的关健。
 
 
图7. 前置放大器的共模抑制
 
100 dB 共模抑制比会将0.3 伏直流共模衰减到3 微伏,后者作 为直流失调出现在放大器输出端,可通过校准予以消除。理想 情况下,传感器上的共模电压保持不变,但实际上,它会随时ss 间而变化,并且会受到液体质量或温度等其他因素的影响。共 模抑制比越高,对连续后台校准的需求就会越少,流量稳定性 也越高。
 
表1. 共模抑制对实际流速的影响
 
 
共模抑制比与抑制后的共模直流失调和噪声


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