Меню

Электромагнитные расходомеры методы измерений



Электромагнитные расходомеры: конструктивные соображения и решения

By Colm Slattery and Ke Li

Где расходомеры используются в промышленности сегодня?

Если вы не можете измерить его, вы не сможете этого сделать . Часто слышавшаяся цитата в промышленности и особенно актуальная для измерения расхода. Проще говоря, возрастает потребность в мониторинге большего потока и часто с большей скоростью и точностью. Есть несколько областей, где важное значение имеет измерение промышленного расхода, например, бытовые отходы. Все большее внимание уделяется защите окружающей среды, удаление отходов и мониторинг отходов имеют решающее значение, поскольку мы стремимся создать более чистый и менее загрязненный мир. Люди потребляют огромное количество воды, и это будет продолжаться по мере роста мирового населения. Расходомеры имеют решающее значение как для мониторинга отходов бытовых стоков, так и для неотъемлемой части системы управления технологическими процессами на очистных сооружениях.

Расходомеры также находят дома во многих процессах промышленного контроля, включая химические / фармацевтические препараты, продукты питания и напитки, а также целлюлозно-бумажную промышленность. Такие приложения часто нуждаются в измерении расхода в присутствии высоких уровней твердых веществ, что нелегко достичь большинством технологий потока.

Высокие поточные расходомеры необходимы в области передачи под стражу, которая касается передачи и оплаты передачи продукта между двумя сторонами. Примером может служить передача нефти по большому трубопроводу. Здесь даже небольшое изменение точности измерения расхода с течением времени может привести к значительным потерям или приобретению дохода для одной из сторон.

Почему технология электромагнитной индукции хорошо подходит для измерения расхода жидкости?

Эта технология имеет ряд преимуществ, когда дело доходит до измерения расхода жидкости. Датчики, как правило, вставляются в линию в диаметр трубы и поэтому сконструированы таким образом, что они не нарушают или не ограничивают поток измеряемой среды. Поскольку датчики непосредственно не погружены в жидкость — нет движущихся частей — нет проблем с износом.

Электромагнитный метод измеряет объемный расход, что означает, что измерение нечувствительно к изменениям в таких эффектах, как плотность жидкости, температура, давление и вязкость. Как только электромагнитный расходомер откалиброван водой, его можно использовать для измерения других типов проводящей жидкости без дополнительной коррекции. Это существенное преимущество, которое не имеет других типов расходомеров.

Электромагнитная технология особенно подходит для измерения в твердой жидкой двухфазной среде, такой как жидкость с взвешенной грязью, твердыми частицами, волокнами или вязкостью в сильно проводящей среде, такой как суспензия. Его можно использовать для измерения сточных вод, грязи, рудной целлюлозы, бумажной массы, суспензии химических волокон и других сред. Это делает его особенно подходящим, например, для пищевой и фармацевтической промышленности, где он может измерять поток кукурузного сиропа, фруктового сока, вина, медикаментов и плазмы крови и многих других специальных средств.

Рисунок 1. Упрощенная станция очистки сточных вод.

Как работает технология?

Принцип работы магнитного расходомера основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Фарадея, когда проводящая жидкость течет через магнитное поле датчика, между парами электродов, которая перпендикулярна направлению потока и магнитному полю, создается электродвижущая сила, пропорциональная объемному потоку. Амплитуду электродвижущей силы можно выразить как: E = kBDv. Где E — индуцированный электрический потенциал, k — постоянная, B — плотность магнитного потока, D — внутренний диаметр измерительной трубки, v — средняя скорость жидкости в осевом направлении поперечного сечения электрода внутри измерительной трубки.

Каков диапазон выходного сигнала датчика?

Датчик имеет дифференциальный выход. Его чувствительность обычно составляет 150 микровольт / (м / с) до 200 микровольт / (м / с). Поскольку ток возбуждения чередует его направление, амплитуда выходного сигнала датчика удваивается. Для диапазона измерения расхода от 0,5 м / с до 15 м / с амплитуда выходного сигнала датчика составляет от 75 микровольт до примерно 4 мВ до 6 мВ. На рисунке 3 показан выходной сигнал датчика при возбуждении с постоянным источником тока и с жидкостью, протекающей через датчик. График области захвата на выходных выводах датчика показывает сигнал очень низкого уровня, сидящий на значительном синфазном напряжении. Фиолетовый след для положительного электрода, а красный след для отрицательного электрода. Розовый след — это математический канал, который вычитает положительный и отрицательный электроды. Сигнал низкого уровня находится в основном общем режиме.

Что такое традиционный подход к измерению датчика?

Традиционный подход был очень аналоговым — этапом предусилителя с высоким входным импедансом для смягчения от эффектов утечки датчика и с высоким подавлением синфазного сигнала, с последующим аналоговым полосовым фильтром третьего или четвертого порядка,выборки и хранения и, наконец, аналого-цифровое преобразование. Типичный аналоговый интерфейс переднего плана показан на рисунке 4. Выходной сигнал датчика сначала усиливается с помощью измерительного усилителя. Крайне важно максимально усилить заинтересованный сигнал, а также избежать насыщения выходного сигнала усилителем нежелательным постоянным напряжением постоянного тока. Обычно это ограничивает коэффициент усиления усилителя первой ступени не более × 10. Полоса пропускающего фильтра дополнительно удаляет эффекты постоянного тока и повторно передает сигнал в схему образца и удержания — это этот разностный сигнал, представляющий скорость потока, который затем отправляется в аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 2. Принцип работы магнитного расходомера

Рисунок 3. Выходной сигнал электромагнитного датчика расхода

Рисунок 4. Традиционный аналоговый фронтальный подход.

Каковы тенденции на рынке, которые влияют на изменения в архитектуре электромагнитного расходомера?

Существует множество тенденций в отрасли, которые требуют новой архитектуры. Одна из них — все возрастающая потребность в большем количестве данных. Способность контролировать другие атрибуты в жидкости, отличной от потока, становится все более и более ценной. Это может быть, например, для определения того, какие загрязняющие вещества могут находиться в жидкости, или может быть определено, имеет ли жидкость правильную плотность / вязкость для применения. Существует множество таких требований и преимуществ добавления такой диагностики. Нельзя использовать традиционный аналоговый подход для получения такой информации, так как большая часть информации о датчике теряется во время фазы синхронной демодуляции.

Существует также постоянный спрос на повышение производительности и эффективности в производственном процессе. В приложении для дозирования / наполнения жидкости, например, добавляются все больше и больше наполняющих узлов, и по мере того, как производственные процессы масштабируются и скорость заполнения увеличивается, это приводит к необходимости более быстрого и точного контроля потока.

Традиционно механическая или весовая технология использовалась для определения правильного количества жидкости для добавления как части процесса дозирования, так и для определения точных объемов заполнения в рамках производственного процесса. Они, как правило, довольно дороги и трудно масштабируются. Для удовлетворения этого требования, расходомеры и поток ЭМ, в частности, когда речь идет о жидкостях, стали технологией выбора.

Как выглядит новая архитектура?

Передискретизированный подход значительно упрощает аналоговый интерфейс. Аналоговый полосовой фильтр и этапы выборки и удержания могут быть удалены. Внешний усилитель в цепи теперь состоит только из одноступенчатого измерительного усилителя — в нашем случае — выходного измерительного усилителя входного каскада AD8220 JFET, который может быть напрямую подключен к высокоскоростному преобразователю ∑ – Δ.

Читайте также:  Единица измерения сцепления грунта

Рисунок 5. Дозирование / наполнение жидкостью

Что важно для аналогового интерфейса и как это влияет на дизайн?

Усилитель и АЦП являются двумя из наиболее важных блоков в этом приложении. У усилителя первой ступени есть ряд ключевых требований.

Одним из требований является коэффициент подавления синфазного сигнала (КПСС). Ионы в жидком электролите совершают направленное движение, поэтому между электродами и жидкостью развивается электрический потенциал, который мы называем поляризацией. Электрический потенциал на электродах должен быть равен друг другу, если оба электрода идеально подобраны. Поляризационные напряжения для разных металлов варьируются от нескольких сотен мВ до ± 2 В. Это постоянное напряжение постоянного тока, возникающее на выходе датчика и на входе предусилителя. Предупредитель является ключом к отказу от этого общего режима.

Рисунок 6. Аналоговый интерфейс с обратной архитектурой с AD8220 и AD717x-x.

Рисунок 7. Общий режим, отклоненный предусилителем

Таблица 1. Эффекты отклонений синфазного режима от фактического расхода

cmrr против cmv dc и шум после отказа
коэффициент подавления синфазного режима 120 dB 100 dB 80 dB 60 dB
0.28 VDC Общий режим 0.28 μV 2.8 μV 28 μV 280 μV
0.1 V Шум общего режима 0.1 μV 1 μV 10 μV 100 μV
Шум общего режима, преобразованный в скорость потока датчика 175 мкВ / (м / с) 0.0006 mps 0.006 mps 0.06 mps 0.6 mps

Таблица 2. Влияние входного импеданса усилителя на скорость потока

Выходной импеданс датчика (GΩ) Входной импеданс усилителя (GΩ) Уменьшенная амплитуда сигнала для 1 м / с (мкВ) стабильность (%) Ошибка чтения (%)
10 10 87.50 0.065% 0.196%
10 100 15.91 0.051% 0.154%
10 1000 1.73 0.049% 0.148%
10 10,000 0.17 0.049% 0.147%

КПСС 100 дБ уменьшит общий режим 0,3 В постоянного тока до 3 мкВ, который представляется как смещение постоянного тока на выходе усилителя, которое впоследствии может быть откалибровано. В идеальном сценарии синфазное напряжение на датчике оставалось бы неизменным, но в действительности оно будет меняться со временем и под влиянием других эффектов, таких как качество жидкости или температура. Чем выше КПСС, тем лучше это уменьшит необходимость непрерывной калибровки фона и улучшит стабильность потока.

Металлический материал электродов контактирует с электролитной жидкостью. Трения между жидким электролитом и электродами создают общие синфазные напряжения на более высоких частотах. Хотя обычно в меньших амплитудах, общий режим переменного тока появляется как шум, который является абсолютно случайным, поэтому его труднее отбросить. Это требует, чтобы предусилитель имел хороший КПСС не только в диапазоне постоянного тока, но и на более высоких частотах. Усилитель AD8220 имеет превосходный КПСС от постоянного тока до 5 кГц. Для класса AD8220 B минимальный КПСС составляет 100 дБ на частотах от 60 до 60 Гц и 90 дБ до 5 кГц, что отрицательно влияет на напряжение и шум в общем режиме вокруг микровольта. При 120 дБ КПСС 0,1 В p-p уменьшается до 0,1 мкВ p-p. В таблице 2 показан эффект плохого отклонени КПСС на выходном сигнале датчика.

Рисунок 8. AD8220 DC и AC отказ от синфазных эффектов

Низкий ток утечки и высокий входной импеданс ступени предусилителя являются еще одним критическим параметром, поскольку выходной импеданс датчика электромагнитного потока может быть выше, чем GΩ. Высокий входной импеданс усилителя позволяет избежать слишком большой нагрузки на выход датчика, что приводит к уменьшению амплитуды сигнала. Усилитель должен иметь ток утечки достаточно низкий, чтобы они не стали заметным источником ошибок при прохождении через датчик. Максимальный входной ток смещения 10 pA и входной импеданс 1013 Ω AD8220 делают часть способной работать с широким диапазоном выходных характеристик для электромагнитных датчиков потока. В таблице 2 указано, какое влияние на входной импеданс предусилителя приходится на датчик высокого выходного импеданса 10 GΩ.

Наконец, шум 1 / f в диапазоне от 0,1 Гц до 10 Гц задает уровень шума для приложения. Когда он настроен на коэффициент усиления 10, шум во входном напряжении AD8220 составляет около 0,94 мкВ p-p, что устраняет мгновенную скорость 6 мм / сек и накопленный расход субмиллионов.

Как выбрать АЦП и что здесь важно?

Передислокационный подход действительно создает проблемы и повышает требования к производительности блока АЦП. При отсутствии активной фазы вторичного аналогового фильтра используется только малая часть диапазона входного сигнала АЦП. Перевыражение и усреднение сами по себе не позволяют резко увеличить производительность, так как каждый цикл датчика должен полностью соответствовать потреблению для расчета расхода. Кроме того, для удаления неожиданных сбоев в рамках процесса прошивки вам нужно достаточно аналого-цифровых образцов из этих ограниченных точек данных.

Рисунок 9. Выборка сигнала потока.

Архитектура передискретизации обычно требует скорости ADC с скоростью передачи данных> 20 kСPS, хотя чем быстрее, тем лучше. Это не связано конкретно с фактическим измерением расхода. Поскольку нет аналогового полосового фильтра, выходной сигнал сырого датчика эффективно воспринимается входом АЦП. В этом случае, когда нарастающие кромки датчика не фильтруются, АЦП должен иметь достаточное разрешение во время нарастания и падения краев, чтобы точно фиксировать эти края.

Сама точность расходомера может быть определена как мгновенное измерение расхода, так и измерение накопленного расхода. В стандарте расходомера используется метод накопительного потока, измеряющий средний поток объема воды в течение длительного периода времени, например, 30 или 60 секунд. Это, а не мгновенное измерение расхода, определяет точность ± 0,2% системы. Мгновенный поток применим к случаям, когда важна скорость потока в реальном времени. Он требует гораздо более высоких уровней точности от электроники. Теоретически, чтобы разрешить мгновенное разрешение потока 5 мм / сек, АЦП должен будет достигнуть 20,7-битного разрешения p-p в течение одного периода возбуждения — пост-КИХ-фильтра, состоящего приблизительно из 600 выборок. Это может быть достигнуто аналоговым передним концом.

Таблица 3. Распределение шума для аналогового интерфейса и АЦП

Разрешение потока для датчика чувствительности 175 мкВ / (м / с) Амплитуда сигнала выхода датчика при разрешении Распределение для смещенного входного шума аналогового интерфейса АЦП с шумовым излучением при 10-кратном усилении аналогового фронтального выхода
10 mm/sec 3.5 μV p-p 1.75 μV p-p 5.8 μV p-p/19.7 bit*
5.4 mm/sec 1.89 μV p-p 0.95 μV p-p 3.2 μV p-p/20.6 bit*
5 mm/sec 1.75 μV p-p 0.88 μV p-p 2.9 μV p-p /20.7 bit*
*Data from one FIR filter cycle and one instantaneous flow calculation.

* Данные из одного цикла фильтра КИХ и один расчет мгновенного потока.

AD7172-2 обеспечивает идеальную комбинацию низких входных шумов и высокоскоростной выборки для приложений электромагнитного потока. Типичный шум AD7172-2 с внешним напряжением 2,5 В может составлять всего 0,47 мкВ p-p. Это означает, что результаты финального потока могут быть обновлены до 50 SPS без добавления дополнительных ступеней усиления. На рисунке 10 показаны шумовые диаграммы схемы передискретизации переднего конца с AD7172-2.

Читайте также:  Приборы для измерения холестерина multicare in

Рисунок 10. Результаты тестирования шума, подаваемого на вход, для архитектуры избыточной выборки с AD8220 и AD7172-2.

Как мы можем быстрее реагировать на потребности отрасли для повышения эффективности?

Можно увеличить частоту обновления системы измерения расхода за счет увеличения частоты возбуждения датчика. В этом случае время срабатывания датчика меньше, и, следовательно, менее доступные образцы в среднем. При АЦП с более низким уровнем шума упомянутый шум выходного сигнала датчика может быть дополнительно уменьшен. Используя тот же внешний драйвер AD8220, сконфигурированный с коэффициентом усиления × 10, производительность аналогового интерфейса может сравниться с ведущим конкурентом при более высоких скоростях обновления. В таблице 4 и на рисунке 11 показано преимущество ADI, полученное при более высоких скоростях обновления системы по сравнению с ближайшим конкурентом.

Таблица 4. Сравнение точности измерения по частоте возбуждения датчика.

Частота возбуждения (Гц) 6.25 12.5 25 50 100 200 400
С AD7172-2 0.12% 0.12% 0.13% 0.16% 0.19% 0.24% 0.33%
С ближайшей конкуренцией 0.13% 0.15% 0.19% 0.25% 0.33% 0.46% 0.64%
разрыв 12% 22% 47% 57% 77% 89% 95%

Рисунок 11. Сравнение точности измерения по частоте возбуждения датчика.

Будет ли In-Amp быть способным напрямую управлять АЦП и как я могу быть уверен в этом?

Как правило, это зависит от возможности вождения в усилителе и входной структуре АЦП. Многие современные прецизионные АЦП основаны на архитектуре с коммутируемым конденсатором. Встроенный трек-и-удержание появляется как переходная нагрузка на усилитель вверх по потоку, чтобы он мог улаживать входные переключаемые конденсаторы, чтобы обеспечить точную выборку.

Рисунок 12. Эквивалентная схема аналогового ввода.

Следующее уравнение может использоваться для проверки того, должен ли усилитель управлять АЦП.

Где: BW — минимальная пропускная способность, требуемая для усилителя для управления АЦП. MCLK — это тактовая частота модулятора ADC, Hertz. T — время фазы замыкания, секунды.FS — это полный диапазон аналогового входа АЦП, вольт. CMV — это синфазное напряжение входного диапазона АЦП, вольт. ERROR — ошибка установления для выборки АЦП.

AD7172-2, например, имеет частоту модулятора 2 МГц, время фазы короткого замыкания составляет 10 нс, полный входной диапазон составляет 5 В, ЦМВ 2,5 В и погрешность осаждения 1 ч / млн. Результирующий показатель BW составляет 8,7 МГц, который потребуется для усилителя драйвера, когда AD7172-2 находится в небуферизованном режиме. Это превышает 1,7 МГц — производительность продукта с пропускной способностью AD8220, а также множество высокоточных измерительных усилителей. AD7172-2 имеет надежные буферы с единичным усилением на обоих аналоговых входах ADC. Он предназначен для управления входным каскадом AD7172 на всех частотах и снижает сложность дизайна и риск для наших клиентов. Буферы обеспечивают высокий входной импеданс только с типичным входным током 5 нА, что позволяет подключать источники с высоким импедансом непосредственно к аналоговым входам. Буферы полностью приводят в действие внутреннюю сеть дискретизации конденсатора АЦП, что упрощает требования к аналоговой интерфейсной схеме при потреблении очень эффективного 0,87 мА, типичного для каждого буфера. Каждый буферный усилитель аналогового входа полностью прерывается, что означает, что он минимизирует смещение ошибки смещения и 1 / f шум буфера.

Как создается магнитное поле?

Магнитное поле внутри измерительной трубы генерируется путем подачи постоянного тока через катушки, которые установлены рядом с внешней трубой. Катушки часто встречаются в парах и соединены последовательно друг с другом. Обычно катушки состоят из сотен витков медного провода и, таким образом, рассматриваются как значительная индуктивная нагрузка по его схеме возбуждения. Индуктивность катушек обычно составляет от десятков до сотен миллисекунд плюс сопротивление от 50 до 100 Ом постоянного тока. Магнитное поле чередует свое направление в каждом цикле, когда схема возбуждения изменяет направление тока возбуждения, которое осуществляется путем включения и выключения различных пар переключателей на H-мосте. Частота чередования, как правило, представляет собой целочисленную долю, кратную частоте линии питания для шумоподавления. Схема драйвера состоит из источника постоянного тока и H-моста под управлением микропроцессора.

Рисунок 13. Генерация магнитного поля.

Важна ли силовая диссипация?

Да. Токи возбуждения для электромагнитных расходомеров могут быть довольно большими: до 50 мА для меньших диаметров до 500 мА или 1 А для труб большего диаметра. Контур постоянного тока может потреблять значительное количество мощности и площади платы при линейном регулировании.

Для экономии мощности можно использовать источник питания с коммутационным режимом по сравнению с линейной регулируемой цепью постоянного тока. Как показано на диаграмме, ADP2441 сконфигурирован в режиме вывода источника постоянного тока. Выходное напряжение 1,2 В ADR5040 делится на два резистора до 150 мВ. Это напряжение 150 мВ подается на контактный штырь напряжения ADP2441, так что контакт обратной связи по напряжению также поддерживается на уровне 150 мВ. При установке токового резистора на 0,6 Ом на контакт обратной связи ADP2441 будет регулировать выходной ток до уровня ISET. При настройке значения текущего резистора настройки, подключенного к контакту обратной связи ADP2441, можно настроить источник постоянного тока.

Рисунок 14 (а). Управляйте изолированным H-мостом с SMPS и iCoupler. (Б). Приводной H-мост с линейным регулируемым источником тока и оптроном.

Таблица 5. Рекомендуемые регуляторы переключения

Рекомендуемые ADI переключающие регуляторы КПД
ADP2441 90% при выходе 200 мА (@ 12 В), до 1 А
ADP2360 90% при выходе 10 мА, до 50 мА

Существуют ли какие-либо другие преимущества этого этапа этапов проектирования?

Имеются значительные преимущества в области. Обычно схемы возбуждения датчика электромагнитного потока, также называемые схемами возбуждения, обычно изолированы от схемы формирования сигнала. Обычно обычно выделяется базовая изоляция 1 кВ. Обычные электромагнитные преобразователи потока обычно используют изоляцию оптического соединителя. Оптопары имеют низкую надежность и достаточно велики. Цифровой изолятор ADuM7440 сочетает в себе высокоскоростную CMOS и монолитную технологию трансформатора с воздушным сердечником, обеспечивающую четыре независимых канала изоляции в небольшом 16-проводном QSOP-корпусе.

Рисунок 15. Сравнение площадей оптронов по сравнению с цифровым дизайном изолятора.

По сравнению с обычной схемой, использующей оптический соединитель, линейный регулируемый постоянный источник тока и дискретный HET-мост FET в сквозном отверстии, экономия энергии за счет использования цифровой изоляции может сэкономить более 80% площади схемы.

Компоненты Qty Package Area (mm 2 ) Компоненты Qty Package Area (mm 2 )
PC817B 2 DIP-4 63.24 ADUM7440ARQZ 1 QSOP-16 31
TIP127, PNP Darlington 2 TO-220 51.54 ZXMHC6A07N8 1 SOIC-8 31
TIP22, NPN Darlington 2 TO-220 51.54 MMBT3904LT1G 2 SOT-23 13.92
1SMA5917BT3G 1 SMA 13.55
Total Area 333 Total Area 89

Как рассчитывается скорость потока?

В цифровом домене сигнал потока переменного тока по-прежнему будет нуждаться в фильтрации и синхронной демодуляции. На рисунке 15 показано, как алгоритм реализует синхронную демодуляцию в цифровом домене. DSP выдает управляющий сигнал 1 и 2, пару дополнительных логических сигналов для возбуждения катушки электромагнитного потока. Под управлением этих двух сигналов ток, протекающий через катушку датчика электромагнитного потока, меняет направление в каждом цикле, таким образом, направление магнитного поля и, следовательно, выход датчика на электродах также изменяется и в каждом цикле.

Читайте также:  Проверка средств измерений качество продукции

Рисунок 16. Синхронная демодуляция и расчет расхода в цифровой области.

Например, в n-м цикле DSP (в нашем случае ADSP-BF504F) знает время и логику сигналов управления 1 и 2, когда поступают образцы АЦП. Это позволяет DSP сортировать эти образцы АЦП в соответствии с логический статус сигналов управления движением катушки в два массива в SRAM. То есть те образцы с временным штампом, которые были получены в течение положительного полупериода, сортируются в одну группу, а те образцы, которые получены в отрицательном полупериоде, сортируются в другую группу. Каждый набор затем пропускается через фильтр низких частот FIR (конечный импульсный отклик). Частота отсечки фильтра установлена на 30 Гц, что позволяет использовать полезный сигнал, отклоняя помехи от частоты линии электропередачи и компонентов высокочастотного шума. На рисунке 17 показан профиль КИХ-фильтра в конструкции переднего плана сверхсэмплирования и аналогового полосового фильтра, который использовался в архитектуре аналоговой синхронной демодуляции.

Рисунок 17 (а). Профиль цифрового фильтра нижних частот FIR. (Б). Профиль аналогового полосового фильтра.

Затем алгоритм вычитает две средние значения, чтобы получить значение, пропорциональное скорости потока. Результирующим устройством для этого значения является LSB на (метр / с). Это значение должно быть дополнительно обработано. Расчет конечного расхода:

Где: FlowRate — результат вычитания двух средних значений из положительной и отрицательной фаз возбуждения LSB. VREF является Опорное напряжение АЦП, вольт. N — количество бит разрешения АЦП. G — коэффициент усиления аналогового фронтального конца. Чувствительность — это номинальная чувствительность датчика, V на (метр / секунду). KT — коэффициент передатчика. KS — коэффициент датчика. KZ — смещение нуля.

Как выбрать правильный процессор?

Выбор процесса является важным. Все чаще возникает потребность в большей возможности обработки, либо для поддержки более сложных вычислений алгоритмов, либо для расширенной диагностики или прогнозирования. Существует также глобальное движение для повышения энергоэффективности в электрической и промышленной инфраструктуре. Клиенты требуют больше возможностей обработки при меньшей мощности и достижимых затратах.

Цифровой фильтр для потока EM может требовать большой мощности обработки. Используемый 32-битный КИХ-фильтр потребляет 80 MIPS. Расчет расхода, драйвер связи периферии и передача данных составляют 40 MIPS, 32 MIPS и 20 MIPS, соответственно. Они составляют до 172 MIPS. В этом проекте вышеуказанные задачи выполняются цифровым сигнальным процессором ADSP-BF504F с мощностью до 400 MIPS. Уже используется почти 50% возможностей обработки, и это связано с многоуровневыми связями, связью HART, диагностикой, функциями мониторинга безопасности или драйверами LCM.

Таблица 7. Потребление MIPS

Task MIPS
FIR Filter 80
Metering Data Processing 40
AD7172-2 Data Access 32
Others 20
Total 172

Встроенные периферийные устройства также являются ключевыми. DSP имеет множество функций для реализации, включая SPI, UART, I2C и импульсную выходную связь. Для аппаратного управления и логического ввода / вывода доступно 35 GPIO, которые, например, предназначены для управления жидкокристаллическим дисплеем, клавиатурой, сигналами тревоги и диагностикой. Память SRAM хранит коэффициент фильтра, передачу данных SPI, кэш данных LCM и данные состояния компьютера и внутренние флаги состояния. Статическая память произвольного доступа на кристалле 68 КБ (SRAM) соответствует требованиям уровня системы и состоит из SRK / кэша L1 с инструкциями по 32 кбайт и SRAM / кеш данных L1 размером 32 КБ. Память также необходима для связи RS-485 и HART. 4 Мб встроенной флэш-памяти ADSP-BF504F можно использовать для хранения данных для программы, коэффициентов фильтра и параметров калибровки.

Рисунок 18. Адреса ADSP-BF504F.

Идти вперед, будет продолжаться толчок для большей и большей вычислительной мощности. Для удовлетворения этого повышенного спроса процессор серии ADSP-BF70x Blackfin® представляет собой высокопроизводительный DSP, который обеспечивает класс 800 MMACS с мощностью обработки менее 100 мВт. Экономичная серия из восьми членов включает до 1 МБ внутренней L2 SRAM, исключая внешнюю память во многих приложениях, а вторая конфигурация имеет дополнительный интерфейс памяти DDR2 / LPDDR. В таблице 8 показаны основные функции семейства ADSP-BF7xx.

Таблица 8. Семейство процессоров Blackfin семейства ADSP-BF70x

Общее устройство Основная производительность DSP Встроенная память Внешняя память Ключевые параметры подключения Другие особенности пакет
ADSP-BF700
ADSP-BF702
ADSP-BF704
ADSP-BF706
100 MHz to 400 MHz

800 MMCACs,
16-bit 400 MMCACs,
32-bit

132 kB L1 SRAM/cache

L2 SRAM
options of
128 kB
256 kB
512 kB
1 MB

512 kB
L2ROM

N/A ePPI, Sport (2),
quad/dual SPI (3), I 2 C,
UART (2), CAN 2.0 B (2),
SD/SDIO/MMC (4-bit)
USB 2.0 HS OTG
OTP,
security accelerator,
data integrity (with L1 parity and L2 ECC),
WDT, RTC
QFN 88-lead,
12 mm × 12 mm
ADSP-BF701
ADSP-BF703
ADSP-BF705
ADSP-BF707
16-bit
LPDDR
DDR2
Above options plus
SDIO / MMC / eMMC (8-bit)
4-channel, 12-bit ADC
BGA 184-ball
12 mm × 12 mm
0.8 mm

Что предлагает ADI для решений электромагнитного расходомера?

ADI разработал эталонный дизайн на уровне системы, чтобы прототип полной цепи сигнала для электромагнитного расходомера. Система сконфигурирована таким образом, что она может подключаться к любому типу датчика потока EM, применять соответствующие частоты возбуждения и уровни напряжения для генерации магнитного поля (контролируемого Blackfin DSP), измерять выход датчика и применять фильтры и алгоритмы постпроцессинга для расчета скорости потока. ADI откалибровал дизайн в реальной среде буровой установки, показанной на рисунке 19, и сохранил калибровочные коэффициенты в памяти. Возможно одноточечная или многоточечная калибровка, что позволяет повысить производительность при многоточечной линеаризации. При этом мы смогли продемонстрировать, что производительность аналогового интерфейсного дизайна может соответствовать характеристикам ведущих высокоточных счетчиков потока.

Рисунок 19. Комплексное решение ADI.

Есть некоторые ключевые преимущества передискретизированной архитектуры по сравнению с традиционной архитектурой. Значительная площадь и экономия затрат — до 50% и 20% соответственно. Имеются также энергосбережение и улучшенные преимущества производительности системы благодаря способности сохранять сигнал датчика и применять к нему постобработку. Для получения дополнительной информации по эталонному дизайну ADI, пожалуйста, свяжитесь с cic@analog.com.

Вы измерили данные из своего дизайна? Результаты оценки

Эталонная конструкция была испытана при подключении к электромагнитным датчикам потока диаметром 25 мм на установке для калибровки потока с водой при комнатной температуре. При заданной частоте возбуждения 6,25 Гц основная погрешность ± 0,2% от показаний была достигнута в диапазоне от 0,5 м / сек до 2 м / с. Данные результатов теста показаны в таблице 9.

Источник