電磁流量計可在工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)高精度
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從煉油廠到自動售貨機(jī)等工業(yè)應(yīng)用要求具有精確的溫度、壓力 和流量測量，以控制復(fù)雜以及簡單過程。例如，在食品行業(yè)，產(chǎn)品裝瓶和裝罐的流量精確控制會直接影響利潤，因此必須最大程度降低流量測量誤差。類似地，封閉運(yùn)輸應(yīng)用——比如石油工業(yè)中油罐和油罐車之間的原油和成品油交換——需要高精度測量。本文提供流量計技術(shù)概述，重點(diǎn)討論液體流量測量中精度最高之一的電磁流量計。
圖 1 顯示采用流量計和執(zhí)行器控制液體流速的基本過程控制系統(tǒng)。在最低的水平處，諸如溫度、流速和氣體濃度等過程變量通過輸入模塊監(jiān)控，該模塊通常是可編程邏輯控制器(PLC)的一部分。這些信息由比例-積分-微分(PID)環(huán)路在內(nèi)部處理。PLC利用這些信息來設(shè)置輸出，控制穩(wěn)態(tài)過程。過程數(shù)據(jù)、診 斷和其他信息可向上傳遞至操作層，而命令、參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可向下傳遞至傳感器和執(zhí)行器。
圖 1. 測量和控制液體流速的基本系統(tǒng)
采用多種不同技術(shù)測量流速，包括差壓、科氏力、超聲和電磁等。最常用的是差壓流量計，但它們對系統(tǒng)中的壓力變化較為敏感?？剖狭髁坑嬀哂凶罡叩木?高達(dá) 0.1%)，但它們體積較大且成本高昂。超聲流量計通常體積較小、成本較低，但精度有限(典型值為 0.5%)。超聲流量計采用無創(chuàng)測量技術(shù)， 提升可靠性的同時最大程度減少了隨時間變化的檢測要素的影響，但無法用于臟水或遭到污染的液體。
電磁流量計也能提供無創(chuàng)檢測。這些設(shè)備可用于酸性、堿性和離子液體——這些液體的電導(dǎo)率范圍為 10 S/m至 10–6 S/m，并且可以是干凈、骯臟、腐蝕性、侵蝕性或粘性的液體或漿體，但不適用于碳?xì)浠衔锘驓怏w流量測量。它們能夠針對直徑小至大約 0.125 英寸、最大容量為 10 立方英尺的低流速和高流速提供相對較高的系統(tǒng)精度(0.2%)，并且哪怕在更低的流速下也能保持讀數(shù)的可重復(fù)性。它們可以測量雙向流量，即上游或下游。表 1 比較了幾種常見的流量計技術(shù)。
表 1. 工業(yè)流量計技術(shù)
電磁 本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201702/338255.htm | 差壓 | 超聲 | 科氏 | |
| 測量技術(shù) | 法拉第電磁感應(yīng)定律 | 差分：基于容性或基于電橋 | 傳感器互相關(guān)、時間-數(shù)字、多普勒 | 差分相位 |
| 平均精度 | 0.2%–1% | 0.5%–2% | 0.3%–2% | 0.10% |
| 平均成本 | 300–1000美元 | 300–1000美元 | 300–1000美元 | 3000–10000美元 |
| 優(yōu)點(diǎn) | 無活動零件 | 無活動零件 | 無活動零件 | 多功能，可用于幾乎全部液體/氣體 |
適合腐蝕性液體使用 | 多功能，可用于液體/ 氣體 | 多功能，可適應(yīng)后向安裝 | 獨(dú)立于壓力和溫度 | |
雙向流量測量 |
電磁流量計采用法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律指出，在磁場中移動的導(dǎo)體將會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。液體可看作導(dǎo)體；磁場由流管外的通電線圈產(chǎn)生。感應(yīng)電壓幅度直接與導(dǎo)體的運(yùn)動速度和導(dǎo)體類型、流管直徑以及磁場強(qiáng)度成正比，如圖 2 所示。
法拉第定律在數(shù)學(xué)上可以表示為：E = kBLV
其中，V表示導(dǎo)電流體的運(yùn)動速度；B表示磁場強(qiáng)度；L表示拾取電極之間的間距；E表示電極兩端測得的電壓；k為常數(shù)。B、L和k可以是固定值，也可以進(jìn)行校準(zhǔn)，從而等式簡化為：E ∝ V。
圖 2. 電磁流量計
流過勵磁線圈的電流產(chǎn)生受控磁場。專用勵磁波形是電磁流量計的一個重要方面，在實際應(yīng)用中會使用多種類型，包括低頻矩形波、電力線頻率正弦波、雙頻波和可編程脈沖寬度。表2 顯示各種傳感器線圈的勵磁波形。
表 2. 傳感器勵磁類型、波形和特性
大部分應(yīng)用采用低頻直流矩形波勵磁 ⁄25、 ⁄16、 ⁄10、 ⁄8、 ⁄4 或⁄2 電力線頻率(50 Hz/60 Hz)的傳感器線圈。低頻勵磁具有恒定的幅度和方向交替變化的電流，實現(xiàn)低頻零漂移性能。電流方向采用晶體管或場效應(yīng)管H電橋進(jìn)行切換。若SW1 和SW4 導(dǎo)通，而SW2 和SW3 關(guān)閉(圖 3a)，則傳感器線圈處于正相位勵磁期間；同時，恒定電流進(jìn)入EXC+并流出EXC– 。若SW1和SW4 關(guān)閉，而SW2 和SW3 導(dǎo)通(圖 3b)，則傳感器線圈處于負(fù)相位勵磁期間；同時，恒定電流進(jìn)入EXC–并流出EXC+。
圖 3. H 電橋控制傳感器線圈勵磁相位
電磁流量計的勵磁電流相比其他流量測量技術(shù)而言非常大，其范圍為 125 mA至 250 mA，覆蓋線路供電式流量計的主要范圍。高達(dá) 500 mA或 1 A的電流將用于直徑更大的管道。圖 4所示電路可以產(chǎn)生精密 250 mA傳感器線圈勵磁。8 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源ADR3412 提供實現(xiàn)電流偏置的 1.2 V設(shè)定點(diǎn)。
圖 4. 線性調(diào)節(jié)吸電流
雖然這種傳統(tǒng)的電流勵磁方法采用基準(zhǔn)電壓源、放大器和晶體管電路提供良好的低噪聲性能，但該方法由于經(jīng)過功率晶體管的電流和其兩端的電壓降都很大，因此功率損失極大。該方法需要使用散熱器，從而增加了系統(tǒng)成本和尺寸。具有開關(guān)模式電源的恒流源正成為更流行的傳感器線圈勵磁方法。圖 5 顯示同步降壓DC-DC調(diào)節(jié)器 ADP2441 配置為恒流源輸出。這項技術(shù)可以消除使用線性電流源的功率損失，并可極大地改善 系統(tǒng)性能。
圖 5. 開關(guān)模式恒定電流勵磁電路
功率更高的系統(tǒng)采用電流檢測診斷功能監(jiān)測隨負(fù)載、電源、時間和溫度變化的電流改變，同時還能檢測傳感器線圈開路。分流放大器 AD8219 可用來監(jiān)測 80 V共模電壓范圍內(nèi) 60 V/V增益和 0.3%精度的勵磁電流。隔離式電流放大器采用隔離式Σ-?調(diào)制器 AD7400A 以及軌到軌運(yùn)算放大器AD8646，如圖 6 所示。AD7400 的輸出通過四階低通濾波器處理，以便重構(gòu)檢測輸出。
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