Filtre Passe Haut Moyen Mobile

Les débitmètres électromagnétiques atteignent une précision élevée dans les applications industrielles Introduction Les applications industrielles allant des raffineries de pétrole aux distributeurs automatiques nécessitent des mesures de précision de la température, de la pression et du débit pour contrôler des processus complexes et simples. Au sein de l'industrie alimentaire, par exemple, le contrôle précis du débit lors du remplissage des bouteilles et des boîtes peut influer directement sur les profits, de sorte que les erreurs de mesure du débit doivent être minimisées. De même, les demandes de transfert de garde, comme l'échange de pétrole brut et raffiné entre les citernes et les pétroliers dans l'industrie pétrolière, exigent des mesures de haute précision. Cet article présente un aperçu des technologies de débitmètre, en se concentrant sur les débitmètres électromagnétiques, qui sont parmi les plus précis pour la mesure de débit de liquide. La figure 1 montre un système de commande de procédé de base qui utilise un débitmètre et un actionneur pour contrôler le débit de liquide. Au niveau le plus bas, des variables de processus telles que la température, le débit et la concentration de gaz sont surveillées via un module d'entrée qui fait typiquement partie d'un automate programmable (PLC). L'information est traitée localement par une boucle proportionnelle-intégrale-dérivée (PID). En utilisant cette information, l'automate règle la sortie pour contrôler le processus dans un état stationnaire. Les données de process, les diagnostics et autres informations peuvent être transmis au niveau des opérations, et les commandes, les paramètres et les données d'étalonnage peuvent être transmis aux capteurs et aux actionneurs. Beaucoup de technologies différentes sont employées pour mesurer le débit, y compris la pression différentielle, Coriolis, ultrason, et électromagnétique. Les débitmètres à pression différentielle sont les plus courants, mais ils sont sensibles aux changements de pression dans le système. Les débitmètres Coriolis peuvent fournir la plus haute précision, jusqu'à 0,1, mais ils sont grands et coûteux. Les débitmètres à ultrasons sont raisonnablement petits et peu coûteux, mais ont une précision limitée (0,5 typique). Les débitmètres à ultrasons utilisent une technique de mesure non invasive qui améliore la fiabilité et minimise la dégradation de l'élément de détection au fil du temps, mais ils ne peuvent pas être utilisés avec des liquides sales ou contaminés. Les débitmètres électromagnétiques offrent également une détection non invasive. Ils peuvent être utilisés avec des fluides acides, alcalins et ionisés avec des conductivités électriques allant de 10 Sm à 10 ndash6 Sm et avec des liquides et des suspensions propres, sales, corrosifs, érosifs ou visqueux, mais ne sont pas adaptés pour être utilisés dans des hydrocarbures ou des gaz Mesure du débit. Ils peuvent atteindre des précisions de système relativement élevées (0,2) à des débits volumiques faibles et élevés avec un diamètre minimal d'environ 0,125 pouce et un volume maximum d'environ 10 pieds cubes et les lectures restent reproductibles à des vitesses encore plus lentes. Ils peuvent mesurer le débit bidirectionnel, en amont ou en aval. Le tableau 1 compare plusieurs technologies communes de débitmètres. Tableau 1. Technologies de débitmètre industriel Le platine est un bon exemple d'un matériau d'électrode de haute qualité, il a des taux de corrosion de moins de 0,002 pouces par an et peut fonctionner dans des environnements jusqu'à 120degC. Le potentiel d'électrode de 1,2 V du platine est cependant relativement élevé et il deviendra la tension en mode commun (CMV) qui doit être rejetée à la sortie du capteur. Les électrodes en acier inoxydable n'ont que quelques centaines de millivolts de CMV, de sorte que le mode commun peut être plus facilement rejeté. Le matériau en acier inoxydable est largement utilisé avec des fluides non corrosifs. Un potentiel égal devrait apparaître sur les deux électrodes si elles utilisent le même matériau et ont la même condition de surface. En réalité, cependant, le potentiel de polarisation fluctue lentement en tant que signal à basse fréquence en courant alternatif en raison de frottements physiques ou d'effets électrochimiques entre le fluide et les électrodes. Toute incompatibilité apparaîtrait également comme un bruit de mode différentiel. La tension de polarisation, conjointement avec le potentiel d'électrode, présente une tension en mode commun de quelques centaines de millivolts à environ 1 V à l'entrée de l'amplificateur de premier étage, de sorte que l'électronique doit avoir un rejet en mode commun adéquat. La figure 7 montre le potentiel d'une électrode à partir d'un système différentiel avec polarisation 0,28 V DC et bruit P-P 0,1 V sur 316 électrodes en acier inoxydable installées sur une conduite d'eau de 50 mm de diamètre. Les débits typiques se situent dans la plage dynamique 1500: 1 rangemdasha de 0,01 ms à 15 ms. La sensibilité d'un débitmètre électromagnétique typique est de 150 microV (ms) à 200 microV (ms). Ainsi, un capteur de 150 microV (ms) fournira une sortie 3 microVP-P avec un débit bidirectionnel de 0,01 ms. Pour un rapport signal / bruit 2: 1, le bruit total injecté ne doit pas dépasser 1,5 microVP-P. Le débit varie assez lentement dans la plage de fréquence à basse fréquence, de sorte que la bande passante de bruit de 0,1 Hz à 10 Hz est critique. En outre, la résistance de sortie des capteurs peut être assez élevée. Pour satisfaire à ces exigences, l'amplificateur frontal doit avoir un faible niveau de bruit, une forte rejet en mode commun et un faible courant de polarisation d'entrée. La tension de sortie en mode commun des capteurs est atténuée par la rejet en mode commun de l'amplificateur frontal. Avec 120 dB CMR, la polarisation 0,28 V DC est réduite à 0,28 microV DC. Ce décalage peut être étalonné ou supprimé par couplage CA du signal. Le composant ca apparaît comme un bruit à la sortie de l'amplificateur, dégradant le niveau minimum détectable. Avec 120 dB CMR, le P-P 0,1 V est réduit à 0,1 microV P-P. La résistance de sortie du capteur varie de quelques dizaines d'ohms à 10 7 Omega selon le type d'électrode et la conductivité du fluide. Pour minimiser la perte, l'impédance d'entrée de l'amplificateur frontal doit être bien supérieure à la résistance de sortie du capteur. Un étage d'entrée JFET ou CMOS avec une grande résistance d'entrée est nécessaire. Le faible courant de polarisation et le faible courant de décalage de l'amplificateur frontal sont des paramètres clés pour minimiser le bruit de courant et la tension en mode commun. Le tableau 4 présente les spécifications de plusieurs amplificateurs frontaux recommandés. Tableau 4. Spécifications des amplificateurs d'instrumentation représentatifs CMR (dB min) DC à 1 kHz, G 10 plusmn2.5 à plusmn18 La figure 8 montre un débitmètre à l'aide de l'amplificateur d'instrumentation de précision AD8228. L'amplificateur frontal rejette la tension en mode commun tout en amplifiant le signal du petit capteur. Sa disposition appariée et les résistances coupées au laser lui permettent de fournir des spécifications garanties pour l'erreur de gain, la dérive de gain et le rejet en mode commun. Pour minimiser le courant de fuite, la sortie du capteur à haute impédance peut être protégée en échantillonnant la tension d'entrée et en connectant la tension tamponnée à une trace non masquée autour du trajet du signal d'entrée. Le gain du premier étage est typiquement de 10 à 20, mais non plus élevé, car le signal de bas niveau doit être amplifié pour le post-traitement tandis que le décalage de courant continu est maintenu petit pour éviter de saturer les étages en aval. L'étage d'entrée est suivi d'un filtre passe-bande actif qui supprime la composante cc et définit le gain pour utiliser pleinement la plage dynamique de l'ADC en aval. La fréquence d'excitation du capteur se situe entre 1frasl25 et 1frasl2 de la fréquence de la ligne de puissance, réglant les fréquences de coupure de bande passante. La figure 9 montre le filtre passe-bande utilisé dans le débitmètre. La première étape est un filtre passe-haut à gain unitaire à couplage alternatif avec une fréquence de coupure de 0,16 Hz. Sa fonction de transfert est Les étapes suivantes se combinent avec la première pour former un filtre passe-bande complet avec coupure basse fréquence 0,37 Hz, coupure haute fréquence 37 Hz, pic 35,5 dB à 3,6 Hz, roll roll dBdecade ndash40 dBdecade Bande passante équivalente au bruit de 49 Hz. L'amplificateur choisi pour cette étape ne doit pas contribuer au bruit supplémentaire du système. En utilisant l'amplificateur op de précision de faible puissance AD8622 qui spécifie un bruit P-P 1f de 0,2 microV et un bruit large bande 11 nVradicHz, le bruit rapporté à l'entrée du filtre est de 15 nV rms. Lorsqu'il est fait référence à l'entrée de l'amplificateur, ce bruit devient 1,5 nV rms, ce qui peut être ignoré par rapport au bruit P-P de plusmn1,5 microV pour un débit de 0,01 ms. En additionnant les sources de bruit provenant de la tension en mode commun, de l'amplificateur frontal et du filtre passe-bande, le bruit racine-somme-carré rapporté à l'entrée AD8228 est de 0,09 microV rms, soit environ 0,6 microV P-P. La sortie du filtre contient le débit dans l'amplitude et le sens d'écoulement dans la phase. Le signal bipolaire est démodulé avec des commutateurs analogiques, des condensateurs de maintien et un amplificateur de différence, comme le montre la figure 10. Les commutateurs analogiques doivent avoir une faible résistance et une vitesse de commutation moyenne. Le ADG5412 à haute tension, à verrouillage à l'épreuve, les commutateurs quad SPST, qui comportent 9.8 Omega R ON typique et 1.2 Omega R ON planéité, ajouter peu d'erreur de gain ou de distorsion au signal. L'amplificateur de différence AD8276 à faible encombrement et à faible encombrement unitaire s'interface à un ADC avec une plage d'entrée de 5 V à pleine échelle. Ainsi, sa broche REF est liée à une référence 2.5-V qui déplace la sortie bipolaire vers une plage unipolaire. Les sorties supérieures à 2,5 V représentent le débit direct, tandis que les sorties inférieures à 2,5 V représentent le débit inverse. Sélection de l'ADC Lors de la détermination des budgets d'erreur système, le capteur domine généralement et peut représenter 80 à 90 de l'erreur totale. La norme internationale pour les débitmètres électromagnétiques spécifie que la répétabilité de mesure ne doit pas dépasser 1frasl3 de l'écart maximal du système à 25 ° C et débit constant. Avec un budget d'erreur total de 0,2, la répétabilité ne doit pas dépasser 0,06. Si le capteur compte pour 90 de ce budget, l'électronique de l'émetteur doit avoir une erreur maximale de 60 ppm. Pour minimiser les erreurs, nous pouvons mesurer des échantillons ADC. Par exemple, pour chaque cinq échantillons, jetez le maximum et le minimum, et faites la moyenne des trois autres. L'ADC devrait obtenir cinq échantillons au cours de chaque intervalle établi, qui se produit pendant les 10 derniers de la période d'excitation. Ceci nécessite que la fréquence d'échantillonnage ADC soit au moins 50 fois la fréquence d'excitation du capteur. Pour tenir compte de l'excitation la plus rapide de 30 Hz, la fréquence minimale d'échantillonnage doit être de 1500 Hz. Un échantillonnage plus rapide permettrait d'obtenir une moyenne d'échantillons de données plus élevée pour supprimer le bruit et obtenir une meilleure précision. Ces exigences ADC conviennent parfaitement à la technologie Sigma, qui offre une excellente performance sonore à des vitesses modérées. Le Sigma ADC AD7192 ultralow noise est idéal pour les débitmètres électromagnétiques, car il spécifie une résolution sans bruit de 16,5 bits à un débit de données de sortie de 4800 Hz. Le tableau 5 montre sa résolution effective par rapport au gain et à la vitesse de sortie. Tableau 5. AD7192 Résolution effective par rapport au gain et à la sortie Filtre de débit de données Mot (décimal) Débit de données de sortie (Hz) Temps de stabilisation (ms) 1 La résolution de crête à crête (p-p) est indiquée entre parenthèses. La figure 11 montre le sous-circuit ADC, y compris la sortie du démodulateur et la micropower ADR3425, référence 2,5 V de haute précision. Certaines applications, telles que le remplissage de boissons, nécessitent une excitation du capteur de fréquence plus élevée. L'excitation de la bobine du capteur de 150 Hz permet de réaliser le processus de remplissage en une seconde environ. Les exigences en matière de bruit restent les mêmes, mais le CDA doit être plus rapide. L'AD7176-2 Sigma-ADC s'installe en 20 micros, avec une résolution sans bruit de 17 bits à 250 kSPS et un rejet de 85 dB des tonalités 50 Hz et 60 Hz. Essai de chaîne de signal analogique Les blocs de construction décrits ici ont été utilisés pour exciter et tester un capteur de débit électromagnétique dans un laboratoire d'étalonnage. L'extrémité avant complète, y compris l'étage d'entrée CMRR élevé, le filtre passe-bande et l'étage de gain ont également été testés dans un système à flux réel. Deux plaques d'essai ont obtenu une précision de plusmn0,2 sur la plage de 1 ms à 5 ms, avec une répétabilité de 0,055. Cela correspond bien aux normes industrielles. La chaîne de signal d'un débitmètre électromagnétique est représentée sur la figure 12. L'excitation et la mesure du capteur dictent la performance globale du système, car le signal de millivolt développé aux électrodes est finalement converti en un résultat d'écoulement. Le débit est communiqué au contrôleur système via plusieurs protocoles, y compris RS-485 et une boucle de courant de 4 mA à 20 mA. Les principaux avantages de la boucle de courant sont qu'il n'est pas affecté par la chute de tension dans le câblage, peut communiquer sur de longues distances, et est moins sensible aux interférences de bruit que les communications de tension. Dans les applications d'automatisation d'usine, les protocoles de bus numériques sont plus courants, offrant des communications à grande vitesse sur des distances plus courtes en utilisant un signal de mode de tension différentielle. La figure 13 montre un circuit de signalisation de 4 mA à 20 mA avec des communications HART reg. La figure 14 montre une solution isolée de RS-485. Pour maintenir des tensions sûres à l'interface utilisateur et empêcher les transitoires d'être transmises par les sources, une isolation galvanique est habituellement nécessaire entre chaque canal de communication et le contrôleur système. Le Tableau 6 présente une liste des composants qui fournissent les niveaux d'intégration les plus élevés pour ces normes de communication. Tableau 6. Circuits intégrés pour l'acquisition de données industrielles Entrées de récepteur à court-circuit et à court-circuit Protection contre l'arrêt thermique Conclusion Les débitmètres électromagnétiques sont parmi les types de flux les plus courants utilisés aujourd'hui. Ils dominent dans la mesure du débit de liquide et sont particulièrement populaires en Europe en raison de la concentration sur les systèmes de gestion des déchets. Les principales tendances concernent la réduction de la teneur en BPC et l'amélioration de la performance. La performance du système est dictée par le bloc d'entrée analogique, nécessitant un amplificateur d'entrée à haute impédance, faible bruit, haute CMRR et un Sigma-ADC à faible bruit et haute résolution. Les tendances futures dicteront la nécessité d'ADC encore plus rapide. La famille des ADC AD719x répond aux exigences actuelles du système, tandis que la famille AD7176 est bien positionnée pour répondre aux besoins futurs. Le portefeuille ADI de régulateurs dc-to-dc à haute efficacité, de communications intégrées, d'ADC haute résolution, d'amplificateurs de précision et de références de tension de haute précision permettra aux concepteurs de dépasser ces exigences dans de nouvelles conceptions. Ke Li est ingénieur d'application système dans l'unité d'affaires Automation, Energy and Sensor d'Analog Devices basée à Limerick en Irlande. Ke a rejoint Analog Devices en 2007 en tant qu'ingénieur des applications de produits au sein du groupe Precision Converters, situé à Shanghai, en Chine, avant de passer quatre années à titre d'ingénieur RD au sein du groupe Chemical Analysis d'Agilent Technologies. Il a obtenu une maîtrise en génie biomédical en 2003 et un baccalauréat en génie électrique en 1999, tous deux de l'Université Xian Jiaotong. Colm Slattery est ingénieur applicatif dans le segment II chez Analog Devices. Son premier rôle dans ADI était en tant qu'ingénieur de développement de test. Il a également passé 3 ans basé à Shanghai, en Chine, en soutenant les activités de terrain pour le groupe Convertisseur de précision. Avant son rôle dans le groupe II, Colm était ingénieur d'applications de ligne de produits dans le groupe DAC. Régulateur CC-CC Synchrone, Descendant, Zero Drift, Moniteur Unidirectionnel de Courant Shunt Modulateur Sigma-Delta Isolé 24 MH z Rail-à-Rail Dual Op Amp Low Gain Drift Precision Instrumentation Amplificateur Fixe G 10, 100 Basse Puissance, Faible Bruit, Faible Courant de Bias, Precision Dual RRO Op Amp Haute Tension Latch-up Proof, Quad SPST Basse Puissance, Wide Supply Range, Faible Coût Unity-Gain Difference Amplificateur 4,8 kHz Ultra-faible bruit Sigma-Delta ADC 24 bits avec PGA Micro-Power, haute précision 2.5V Tension de référence 24 bits, 250 kSPS Sigma Delta ADC avec 20 micros Settling The Scientist et ingénieurs Guide de traitement du signal numérique Par Steven W. Smith, Ph. D. Chapitre 6: Convolution Laisse un résumé de cette façon de comprendre comment un système modifie un signal d'entrée en un signal de sortie. Tout d'abord, le signal d'entrée peut être décomposé en un ensemble d'impulsions, chacune d'elles pouvant être considérée comme une fonction delta à échelle et décalée. Deuxièmement, la sortie résultant de chaque impulsion est une version mise à l'échelle et décalée de la réponse impulsionnelle. Troisièmement, le signal de sortie global peut être trouvé en ajoutant ces réponses impulsionnelles mises à l'échelle et décalées. En d'autres termes, si nous connaissons une réponse impulsionnelle système, alors nous pouvons calculer ce que la sortie sera pour tout signal d'entrée possible. Cela signifie que nous savons tout sur le système. Il n'y a rien de plus qui puisse être appris sur les caractéristiques d'un système linéaire. (Cependant, dans les chapitres suivants, nous montrerons que ces informations peuvent être représentées sous différentes formes). La réponse impulsionnelle prend un nom différent dans certaines applications. Si le système considéré est un filtre. La réponse impulsionnelle est appelée le noyau du filtre. Le noyau de convolution. Ou simplement, le noyau. Dans le traitement d'image, la réponse impulsionnelle est appelée la fonction d'étalement de points. Alors que ces termes sont utilisés de façon légèrement différente, ils signifient tous la même chose, le signal produit par un système lorsque l'entrée est une fonction delta. La convolution est une opération mathématique formelle, tout comme la multiplication, l'addition et l'intégration. Addition prend deux nombres et produit un troisième nombre. Tandis que la convolution prend deux signaux et produit un troisième signal. Convolution est utilisé dans les mathématiques de nombreux domaines, tels que la probabilité et la statistique. Dans les systèmes linéaires, la convolution est utilisée pour décrire la relation entre trois signaux d'intérêt: le signal d'entrée, la réponse impulsionnelle et le signal de sortie. La figure 6-2 montre la notation lorsque la convolution est utilisée avec des systèmes linéaires. Un signal d'entrée, x n, entre dans un système linéaire avec une réponse impulsionnelle, h n, résultant en un signal de sortie, y n. Sous forme d'équation: x n h n y n. Exprimé en mots, le signal d'entrée convolué avec la réponse impulsionnelle est égal au signal de sortie. De même que l'addition est représentée par le plus, et la multiplication par la croix, les temps, la convolution est représentée par l'étoile,. Il est regrettable que la plupart des langages de programmation utilisent également l'étoile pour indiquer la multiplication. Une étoile dans un programme d'ordinateur signifie multiplication, tandis qu'une étoile dans une équation signifie convolution. La figure 6-3 montre la convolution utilisée pour le filtrage passe-bas et passe-haut. L'exemple de signal d'entrée est la somme de deux composantes: trois cycles d'onde sinusoïdale (représentant une fréquence élevée), plus une rampe lentement montée (composée de basses fréquences). En (a), la réponse impulsionnelle pour le filtre passe-bas est une arche lisse, ce qui fait que seule la forme d'onde en rampe lentement changée est transmise à la sortie. De même, le filtre passe-haut, (b), permet uniquement le passage de la sinusoïde à changement plus rapide. La figure 6-4 illustre deux exemples supplémentaires de la façon dont la convolution est utilisée pour traiter des signaux. L'atténuateur inverseur, (a), retourne le signal de haut en bas et réduit son amplitude. La dérivée discrète (également appelée la première différence), représentée en (b), produit un signal de sortie lié à la pente du signal d'entrée. Noter les longueurs des signaux sur les Fig. 6-3 et 6-4. Les signaux d'entrée sont de 81 échantillons de long, alors que chaque réponse d'impulsion est composée de 31 échantillons. Dans la plupart des applications DSP, le signal d'entrée est des centaines, des milliers, voire des millions d'échantillons de longueur. La réponse impulsionnelle est généralement beaucoup plus courte, disons, quelques points à quelques centaines de points. Les mathématiques derrière la convolution ne limitent pas la durée de ces signaux. Il spécifie toutefois la longueur du signal de sortie. La longueur du signal de sortie est égale à la longueur du signal d'entrée, plus la longueur de la réponse impulsionnelle, moins un. Pour les signaux sur les Figs. 6-3 et 6-4, chaque signal de sortie est: 81 31 - 1 111 échantillons de long. Le signal d'entrée passe de l'échantillon 0 à 80, la réponse impulsionnelle de l'échantillon 0 à 30 et le signal de sortie de l'échantillon 0 à 110. Nous arrivons maintenant aux mathématiques détaillées de la convolution. Comme on l'utilise dans Digital Signal Processing, la convolution peut être comprise de deux façons distinctes. Le premier regarde la convolution du point de vue du signal d'entrée. Cela implique d'analyser comment chaque échantillon dans le signal d'entrée contribue à de nombreux points dans le signal de sortie. La deuxième voie examine la convolution du point de vue du signal de sortie. Ceci examine comment chaque échantillon dans le signal de sortie a reçu des informations de nombreux points dans le signal d'entrée. Gardez à l'esprit que ces deux perspectives sont différentes façons de penser à la même opération mathématique. Le premier point de vue est important parce qu'il fournit une compréhension conceptuelle de la façon dont la convolution se rapporte à DSP. Le second point de vue décrit les mathématiques de la convolution. Cela caractérise l'une des tâches les plus difficiles que vous rencontrerez dans DSP: rendre votre compréhension conceptuelle en adéquation avec le bouleversement des mathématiques utilisées pour communiquer les idées.