電磁流量計在工業應用中達到高精度

         從煉油廠到自動售貨機的工業應用需要溫度，壓力和流量的精確測量，以控制復雜和簡單的過程。例如，在食品工業中，當填充瓶和罐時的流量的精確控制可以直接影響利潤，因此必須最小化流量測量誤差。類似地，保管轉移應用，例如在石油工業中的罐和罐車之間交換原始和精煉石油，需要高精度測量。本文介紹了流量計技術的概述，重點是電磁流量計，這是液體流量測量中最精確的。

         圖1示出了使用流量計和致動器來控制液體流量的基本過程控制系統。在最低水平，通過輸入模塊（通常是可編程邏輯控制器（PLC）的一部分）監測諸如溫度，流速和氣體濃度的過程變量。通過比例積分微分（PID）回路在本地處理信息。使用該信息，PLC設置輸出以在穩定狀態下控制過程。過程數據，診斷和其他信息可以傳遞到操作級別，并且命令，參數和校準數據可以傳遞到傳感器和致動器。

         許多不同的技術用于測量流速，包括壓差，科里奧利，超聲波和電磁。差壓流量計是最常見的，但它們對系統中的壓力變化敏感。科里奧利流量計可提供最高精度，高達0.1％，但它們體積大，價格昂貴。超聲波流量計相當小，成本低，但精度有限（典型值為0.5％）。超聲波流量計使用非侵入式測量技術，可提高可靠性并最小化傳感元件隨時間的退化，但它們不能用于臟的或污染的液體。

         電磁流量計還提供無創傳感。它們可與酸性，堿性和電離液體一起使用，電導率范圍為10 S / m至10-6 S / m，以及干凈，骯臟，腐蝕性，腐蝕性或粘性液體和漿料，但不適用于用于烴或氣體流量測量。它們可以在低和高體積流速下實現相對高的系統精度（0.2％），最小直徑為約0.125英寸，最大體積為約10立方英尺，并且讀數在甚至更慢的速度下保持可重復。它們可以測量上游或下游的雙向流量。表1比較了幾種常見的流量計技術。

         電磁流量計使用法拉第電磁感應定律，其指出在通過磁場移動的導體中感應出電壓。液體用作導體;磁場由流管外部的通電線圈產生。感應電壓的大小與導體的速度和類型，管的直徑和磁場的強度成正比，如圖2所示。

         數學上，我們可以將法拉第定律定義為E = kBLV

         其中V是導電流體的速度，B是磁場強度，L是拾取電極之間的間隔，E是跨電極測量的電壓，k是常數。 B，L和k是固定的或可以被校準，所以方程減少到EαV.

         通過螺線管的場線圈的電流產生受控磁場。特定的激勵波形是電磁流量計的一個重要方面，并且使用許多類型，包括低頻矩形波，電源線頻率正弦波，雙頻波和可編程脈沖寬度。表2示出了各種傳感器線圈激勵波形。

         最初的應用使用低頻直流矩形在電力線頻率的1/25，1/16，1/10，1/8，1/4或1/2處激勵傳感器線圈（50Hz / 60Hz ）。低頻激勵使用恒定幅度，交流方向電流來實現低零漂移。電流的方向用晶體管或MOSFET H橋切換。當SW1和SW4接通，SW2和SW3斷開時（圖3a），傳感器線圈在正相激勵;恒定電流進入EXC +并退出EXC-。當SW1和SW4斷開，SW2和SW3接通時（圖3b），傳感器線圈在負相位激勵;并且恒定電流進入EXC-并且退出EXC +。

         電磁流量計的勵磁電流相對于其他流量技術而言相當大，125 mA至250 mA覆蓋了線路供電流量計的大多數量程。高達500 mA或1 A的電流將用于較大直徑的管道。圖4顯示了一個可以產生精確的250 mA傳感器線圈勵磁的電路。 ADR3412 8 ppm /°C參考電壓提供1.2 V設置點來偏置電流。

         雖然用于使用參考，放大器和晶體管電路的電流激勵的傳統方法提供具有低噪聲的良好性能，但由于大電流在大電壓上的線性下降，其遭受顯著的功率損耗。因此需要散熱器，這增加了系統成本和面積。具有開關模式電源的恒流吸收器正變成激發傳感器線圈的更流行的方式。圖5顯示了配置為提供恒定電流輸出的ADP2441同步降壓型DC-DC穩壓器。這種技術消除了標準電流阱的損耗，大大提高了系統性能。

         高功率系統使用電流檢測診斷功能來監測電流隨負載，電源，時間和溫度的變化;并且還可以檢測打開的傳感器線圈。 AD8219電流分流放大器可用于在80 V共模范圍內以60 V / V增益和0.3％精度監視激勵電流。使用AD7400A隔離Σ-Δ調制器和AD8646軌至軌運算放大器的隔離電流放大器如圖6所示.AD7400輸出通過4階低通濾波器進行處理，以重建感測輸出。