電磁流量計可在工業應用中實現高精度
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從煉油廠到自動售貨機等工業應用要求具有精確的溫度、壓力 和流量測量，以控制復雜以及簡單過程。例如，在食品行業，產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，封閉運輸應用——比如石油工業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概述，重點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行器控制液體流速的基本過程控制系統。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)環路在內部處理。PLC利用這些信息來設置輸出，控制穩態過程。過程數據、診 斷和其他信息可向上傳遞至操作層，而命令、參數和校準數據可向下傳遞至傳感器和執行器。
圖 1. 測量和控制液體流速的基本系統
采用多種不同技術測量流速，包括差壓、科氏力、超聲和電磁等。最常用的是差壓流量計，但它們對系統中的壓力變化較為敏感。科氏流量計具有最高的精度(高達 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測量技術， 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檢測。這些設備可用于酸性、堿性和離子液體——這些液體的電導率范圍為 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，但不適用于碳氫化合物或氣體流量測量。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精度(0.2%)，并且哪怕在更低的流速下也能保持讀數的可重復性。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。
表 1. 工業流量計技術
電磁 本文引用地址：http://www.104case.com/article/201702/338255.htm | 差壓 | 超聲 | 科氏 | |
| 測量技術 | 法拉第電磁感應定律 | 差分：基于容性或基于電橋 | 傳感器互相關、時間-數字、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 |
| 優點 | 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，可適應后向安裝 | 獨立于壓力和溫度 | |
雙向流量測量 |
電磁流量計采用法拉第電磁感應定律，該定律指出，在磁場中移動的導體將會產生感應電壓。液體可看作導體；磁場由流管外的通電線圈產生。感應電壓幅度直接與導體的運動速度和導體類型、流管直徑以及磁場強度成正比，如圖 2 所示。
法拉第定律在數學上可以表示為：E = kBLV
其中，V表示導電流體的運動速度；B表示磁場強度；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。B、L和k可以是固定值，也可以進行校準，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，實現低頻零漂移性能。電流方向采用晶體管或場效應管H電橋進行切換。若SW1 和SW4 導通，而SW2 和SW3 關閉(圖 3a)，則傳感器線圈處于正相位勵磁期間；同時，恒定電流進入EXC+并流出EXC– 。若SW1和SW4 關閉，而SW2 和SW3 導通(圖 3b)，則傳感器線圈處于負相位勵磁期間；同時，恒定電流進入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 500 mA或 1 A的電流將用于直徑更大的管道。圖 4所示電路可以產生精密 250 mA傳感器線圈勵磁。8 ppm/°C基準電壓源ADR3412 提供實現電流偏置的 1.2 V設定點。
圖 4. 線性調節吸電流
雖然這種傳統的電流勵磁方法采用基準電壓源、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，從而增加了系統成本和尺寸。具有開關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調節器 ADP2441 配置為恒流源輸出。這項技術可以消除使用線性電流源的功率損失，并可極大地改善 系統性能。
圖 5. 開關模式恒定電流勵磁電路
功率更高的系統采用電流檢測診斷功能監測隨負載、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 可用來監測 80 V共模電壓范圍內 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-?調制器 AD7400A 以及軌到軌運算放大器AD8646，如圖 6 所示。AD7400 的輸出通過四階低通濾波器處理，以便重構檢測輸出。
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