ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ

Одним из основных применений измерителей скорости потока является измерение скорости потоков городских стоков. Это необходимо для эффективной защиты окружающей среды, своевременной очистки воды от нечистот и т.п. Измерители скорости потока являются неотъемлемой частью многих промышленных производств пищевой, химической, фармацевтической, деревообрабатывающей и бумажной промышленности. Применение измерителей скорости потока в перечисленных отраслях промышленного производства должно обеспечивать измерение скорости потоков с большим включением твердых фракций. Высокая точность измерения скорости потока необходима в нефте- и газопроводах, т.к. увеличение погрешности измерения может привести к существенным финансовым потерям. В измерителях скорости потока жидкостей используются как контактные, так и бесконтактные сенсоры. Электромагнитные сенсоры для измерения скорости потока малочувствительны к изменению плотности жидкости, ее температуры, скорости и давления. Если такой сенсор откалиброван в водной среде, он может быть использован для измерения скорости жидкости любого типа. Такие сенсоры пригодны для измерения скорости жидкости с твердыми частицами, тканевыми фракциями, которые отличаются малой электрической проводимостью. Структурная схема предприятия по очистке воды с использованием измерителей скорости потока приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структура типового предприятия по очистке воды

Принцип работы электромагнитного измерителя скорости потока показан на рис. 2. Согласно закону Фарадея, если проводящая жидкость протекает через магнитное поле, то электромагнитная сила будет пропорциональна объему потока и направлена перпендикулярно по отношению к этому потоку. Выражение для электромагнитной силы имеет вид
E = kBDv,
где Е – наведенный электрический потенциал, k – константа, В – магнитный поток, D – внутренний диаметр трубы, v – средняя скорость потока в направлении, перпендикулярном электродам.

Рис. 2. Принцип работы типового электромагнитного измерителя скорости потока жидкости

Типовой электромагнитный сенсор имеет дифференциальный выход. Чувствительность такого сенсора – не менее 200 мкВ/м/с, таким образом, если скорость потока находится в пределах от 0.5 до 15 м/с, выходной сигнал будет находиться в пределах 4…6 мВ. На рис. 3 показан выходной сигнал сенсора, к которому приложен постоянный ток возбуждения и который измеряет скорость потока жидкости в трубе.

Рис. 3. Выходной сигнал электромагнитного сенсора
(на функциональной схеме и осциллограмме)

На осциллограмме, рис.3, видно, что сигнал на выходе сенсора имеет низкий уровень. Схема типового аналогового интерфейса для усиления выходного сигнала сенсора приведен на рис. 4. Интерфейс включает измерительный усилитель и полосовой фильтр, который устраняет постоянную составляющую, после чего симметричный сигнал с выхода сенсора преобразуется в несимметричный, кодируется 16-разрядным АЦП и обрабатывается в микроконтроллере. Для увеличения производительности производственного процесса может быть использована параллельная схема, рис. 5, с большим числом измерителей скорости потока жидкости. Применение новой элементной базы, рис. 6, позволяет упростить схему аналогового интерфейса. Следует отметить, что электроды, изготовленные из разных материалов, должны быть хорошо согласованы. Иначе на выходе сенсора кроме полезного сигнала будет присутствовать напряжение поляризации, величина которого может составлять от десятков милливольт до единиц вольт. В этом случае на входе аналогового интерфейса используют предусилитель с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), рис.7. Отметим, что высокий КОСС необходимо поддерживать в широкой полосе частот. Оптимальным выбором предусилителя является ИМС AD8220, зависимости КОСС которого от частоты и коэффициента усиления приведена на рис.8.

Рис. 4. Традиционная схема аналогового интерфейса
для измерителя cкорости потока жидкости

Для уменьшения уровня шума на выходе сенсора желательно в измерительном канале сенсора использовать АЦП со сверхвыборкой, причем частота выборки такого АЦП должна составлять не менее 20 кГц. Зависимость уровня шума от частоты выборки для измерительного канала в составе усилителя AD8220 и АЦП AD7172-2 приведена на рис.9.
Компания Analog Devices разработала демонстрационную плату измерителя скорости потока жидкости с электромагнитным сенсором типа DN25. Плата протестирована при измерении скорости потока воды в трубе диаметром 25 мм при комнатной температуре. Скорость потока воды изменялась от 0.5 до 2 м/с, погрешность измерения не превышала ± 0.2%.

Рис. 5. Параллельная схема измерения скорости потока жидкости

Рис. 6. Принципиальная схема измерителя скорости потока жидкости со сверхвыборкой

Рис. 7. Ослабление синфазного сигнала на входе измерительного канала измерителя скорости потока жидкости

Рис. 8. Зависимость КОСС от частоты
входного сигнала усилителя AD8220

Рис. 9. Зависимость приведенного к входу шума
в зависимости от частоты сверхвыборки

ВЫВОДЫ

1. Электромагнитные измерители скорости потока жидкости широко применяются в промышленном производстве и в системах очистки бытовых отходов. Традиционная архитектура таких измерителей включала множество аналоговых узлов.

2. Наличие разных типов жидкостей и большого диапазона диаметров труб привело к необходимости создания типовых решений для построения электромагнитных измерителей скорости потока жидкостей.

3. Компания Analog Devices разработала типовые решения таких измерителей с минимальным числом аналоговых компонентов.