プログラマブル・パルス幅マイクロプロセッサを使用して励磁パルスの幅と周波数を制御。スラリー・ノイズの耐性が高い。1/25、1/16、1/10、1/8、1/4、1/2でセンサー・コイルを励磁します。低周波励磁では、一定振幅の正弦波交流や非正弦波交流を使用して、ゼロ・ドリフト値を小さくします。Hブリッジで切り替えます。EXC-から出ていきます。EXC-へ入ってEXC+から出ていきます。1Aの電流が使われることがあります。250mAセンサー・コイル励磁電流を生成する回路を図4に示します。8ppm/°Cの電圧リファレンスは、1.2Vの設定点で電流をバイアスします。図4.リニア安定化電流シンクリファレンス、アンプ、トランジスタ回路による従来からの電流励磁方法は、低ノイズで高性能ですが、電圧が大きく変化すると電流も線形に大きく減少し、大きな出力損失が発生します。したがってヒートシンクが必要であり、そのためにシステムのコストと面積が増加します。一般的には、スイッチモード電源を使用した定電流シンクがセンサー・コイルの励磁に広く利用されています。DC/DCレギュレータです。この方法は標準電流シンクの損失をなくして、システム性能を大幅に改善します。温度を監視し、センサー・コイルの断線も検出することができます。AD8219電流シャント・アンプを使用して、80Vの同相範囲において60V/Vのゲインと0.3%の精度で励磁電流を監視することができます。AD7400A絶縁型シグマ・デルタ・モジュレータとAD8646レールtoレール・オペアンプを使用した絶縁型電流アンプを図6に示します。AD7400の出力は4次ローパス・フィルタを通じて処理され、検出された出力を再構成します。図6.絶縁型励磁電流モニタリング電極、あるいは検出素子も考慮すべき重要な要素です。主な測定方法は容量性の方式で、チューブの外側に電極を取り付ける方法と、電極をチューブ内に挿入して電極面を液体と同じ高さにする方法の2種類があり、後者の方が一般的です。含め、それぞれが固有の特性を備えています。低腐食率(1年あたり0.02インチ未満)の高温材料(100°C超)を使用するのが最良の選択です。いくつかの代表的なセンサー材料とその標準電位を表3に示します。+1.42白金は高品質の電極材料の好例です。腐食率は年0.002インチ未満で、最大120°Cの環境でも動作します。白金の1.2Vという電極電位は比較的高い値であり、除去が必要な同相電圧(CMV)となってセンサー出力に現れます。ステンレス鋼電極のCMVは数百mVにすぎず、簡単に同相電圧を除去できます。非腐食性の流体にはステンレス鋼材料が広く使われています。2つの電極に同じ材料を使い、その表面状態が同じであれば、両電極の電位は等しくなります。AC信号のようにゆっくりと変動します。何らかの不整合があれば、それも差動モード・ノイズとして現れます。バイアス電圧が電極電位と一緒になると、第1段のアンプ入力に数百mVから1V程度の同相電圧が生じるため、適切な同相除去能力をもつ電子回路が必要です。0.28VDC、ノイズ0.1VP-P)の単電極電位を示します。標準的な流量は0.01m/s~15m/sの範囲で、ダイナミック・レンジにすると1500:1です。標準的なライン電源用電磁流量計の感度は150μV/(m/s)~200μV/(m/s)です。(m/s)のセンサーの出力は、0.01m/sの双方向流で3μVP-Pになります。ノイズは1.5μVP-Pを超えないはずです。DCから低周波の範囲での流量変化はごくゆっくりとしたものなので、0.1Hz~10Hzのノイズ帯域幅は非常に重要です。加えて、センサーの出力抵抗が非常に大きくなります。これらの条件を満たすには、フロントエンドのアンプが低ノイズで高い同相除去能力をもち、なおかつ入力バイアス電流が小さくなければなりません。センサーの同相出力電圧は、フロントエンド・アンプの同相除去機能によって減衰されます。CMRが120dBの場合、0.28VDCのバイアスは0.28μVDCまで減衰されます。このオフセットは、信号のACカップリングによって校正あるいは除去できます。AC成分はアンプ出力にノイズとして現れ、最小検出可能レベルを低下させます。CMRが120dBの場合は、0.1VP-Pが0.1μVP-Pまで低下します。Ωから107Ωまで変化します。損失を最小にするには、フロントエンド・アンプの入力インピーダンスをセンサーの出力抵抗よりはるかに大きくする必要があります。JFETまたはCMOSの入力段は入力抵抗が大きいものでなければなりません。フロントエンド・アンプのバイアス電流とオフセット電流を小さくすることは、電流ノイズと同相電圧を最小限に抑えるうえで重要です。いくつかの推奨フロントエンド・アンプの仕様を表4に示します。±2.5~±18AD8228高精度計装アンプを使用した流量計を図8に示します。フロントエンド・アンプは、小さいセンサー信号を増幅しながら同相電圧を除去します。その整合済みのレイアウトとレーザー・トリム抵抗によって、ゲイン誤差、ゲイン・ドリフト、同相除去の仕様を保証することができます。マスクされていない配線にバッファ電圧を接続することによって、高インピーダンスのセンサー出力を保護することができます。第1段のゲインは通常10~20で、これより高い値にはしません。これは、下流側の各段を飽和させないようにDCオフセットを小さい値に維持しながら、低レベルの信号をポスト処理のために増幅しなければならないためです。フロントエンド・アンプと電磁流量センサー間のインターフェース入力段の後には、DC成分を除去するアクティブ・バンドパス・フィルタを接続して、下流側ADCのダイナミック・レンジを十分使用できるようにゲインを設定します。センサー励磁周波数の範囲は電源ライン周波数の1.25~1.2で、これによってバンドパスのカットオフ周波数が設定されます。流量計に使われるバンドパス・フィルタを図9に示します。図9.入力アンプ後段のバンドパス・フィルタ第1段はACカップリングされたユニティ・ゲインのハイパス・フィルタで、カットオフ周波数は0.16Hzです。伝達関数は次のとおりです。以降の段とこの第1段で完全なバンドパス・フィルタが構成されます。その仕様は低周波カットオフ0.37Hz、高周波カットオフ37Hz、ピーク値は3.6Hzで35.5dB、ロールオフ-40dB/ディケード、等価ノイズ帯域幅49Hzです。この段に選択したアンプによってシステム・ノイズが増大しないようにしなければなりません。1/fノイズの仕様値が0.2μVP-P、広帯域ノイズが11nV/√HzのAD8622低消費電力高精度オペアンプを使用した場合、フィルタ入力換算ノイズは15nVrmsです。アンプ入力に換算した場合、ノイズは1.5nVrmsで、流量0.01m/s時の±1.5μVP-Pのノイズと比較すると無視できるレベルです。ノイズは0.09μVrms、あるいは約0.6μVP-Pです。フィルタ出力の振幅には流量が、位相には流れ方向が含まれています。バイポーラ信号は、図10に示すように、アナログ・スイッチ、ホールド・コンデンサ、差動アンプによって復調されます。アナログ・スイッチはオン抵抗が小さく、中程度のスイッチング速度のものにする必要があります。ADG5412は高電圧の耐ラッチアップ性をもつクワッドSPSTスイッチで、代表的RON値が9.8Ω、RON平坦性が1.2Ωで、ゲイン誤差や信号の歪みがほとんど生じません。コストのAD8276ユニティ・ゲイン差動アンプは、5Vフルスケールの入力範囲でADCに接続できます。したがって、バイポーラ出力をユニポーラ範囲にレベルシフトする2.5VリファレンスにREFピンを接続します。2.5Vを超える出力は順方向の流れ、2.5V未満は逆方向の流れを表します。ADCの選択システム誤差を見積もる場合、誤差の大部分は一般にセンサーによるもので、これが合計誤差の80%~90%を占めます。電磁流量計の国際標準では、25°C、一定流量時における測定時の再現性誤差を最大システム偏差の1.3以下にすることが定められています。合計誤差が0.2%の場合は、再現性誤差を0.06%以下にする必要があります。センサー誤差が合計誤差の90%を占める場合は、トランスミッタ回路の最大誤差を60ppmにしなければなりません。誤差を最小にするには、ADCサンプルを平均化します。5個のサンプルごとに最大値と最小値を破棄し、残りの3個を平均します。ADCは応答が安定したインターバル時に5個のサンプルを取り込む必要があり、これは励磁区間の最後の10%にあたります。このためには、ADCのサンプリング・レートをセンサー励磁周波数の少なくとも50倍にしなければなりません。速い30Hzの励磁に対応するには、最小サンプリング・レートを1500Hzにする必要があります。サンプリング速度が高ければそれだけ多くのデータ・サンプルを平均でき、ノイズを抑えて高い精度を実現することができます。ADCに関するこれらの条件は、中間的な速度域で優れたノイズ性能を実現するΣ-∆技術に最も適しています。AD7192超低ノイズΣ-∆ADCは、4800Hzの出力データレートで16.5ビットのノイズフリー分解能があり、電磁流量計に最適です。表5に、そのゲインおよび出力データレートに対する有効分解能を示します。ADR3425マイクロパワー高精度2.5Vリファレンスを含むADC回路の一部を、図11に示します。飲料の容器充填といった一部のアプリケーションでは、もっと高い周波数のセンサー励磁が必要です。150Hzでセンサー・コイルを励磁すれば、充填プロセスは約1秒で完了します。ノイズに関する条件は変わりませんが、もっと高速のADCが必要になります。トーンの除去比は85dBです。アナログ・シグナル・チェーンの試験ここで述べるシステムブロック図は、校正ラボでの電磁流量計の励磁と試験に使用したものです。高CMRR入力段、バンドパス・フィルタ、ゲイン段を含むフロントエンド全体も、実際のフロー・システムで試験しました。2枚の試験ボードが、1m/s~5m/sの範囲で±0.2%の精度と0.055%の再現性を実現しました。これは各種工業規格に十分適合しています。電磁流量計のシグナル・チェーンを図12に示します。電極で発生したミリボルト単位の信号が最終的な流れに変換されるため、センサーの励磁と測定によって全体的なシステム性能が決まります。流量は、RS-485や4mA~20mA電流ループを含むいくつかのプロトコルを介してシステム・コントローラに伝達されます。電流ループの主な長所は、配線による電圧低下に影響されないこと、長距離の伝送が可能なこと、電圧の伝送よりノイズの干渉を受けにくいことです。ファクトリー・オートメーション・アプリケーションではデジタル・バス・プロトコルがより一般的で、比較的短い距離であれば差動電圧モード信号を使用した高速通信が可能です。20mA回路を図13に示します。図14は絶縁型RS-485ソリューションです。絶縁型RS-485回路ユーザー・インターフェースを安全な電圧に保ち、ソース側から過渡現象が伝わるのを防ぐために、通常は各通信チャンネルとシステム・コントローラの間をガルバニック絶縁する必要があります。これらの通信標準用に最も高いレベルの集積度を提供するコンポーネントのリストを表6に示します。今日使われている流量計技術の中で最も一般的なタイプのものになります。電磁流量計は液体の流量測定で主流となっており、特に廃棄物管理システムに注目が集まるヨーロッパで広く使われています。主な傾向としては、使用する基板面積を低減しながら高い性能を実現する方向に向かっています。ΣΔADCが必要です。将来的には、さらに高速のADCが求められる傾向になるでしょう。AD719xファミリーのADCは現行のシステム・レベルの条件に適しており、AD7176ファミリーの場合は将来の条件にも対応できる性能があります。アナログ・デバイセズの高性能DC/DCレギュレータ、集積化通信ソリューション、高分解能ADC、高精度アンプ、高精度電圧リファレンスのポートフォリオを利用すれば、新たに設計するときにこうした条件にも余裕を持って対応することができます。Keは、中国上海にある高精度コンバータ製品ラインのアプリケーション・エンジニアとして2007年にアナログ・デバイセズに入社しました。Technologies化学分析グループのR&Dエンジニアとして4年間勤務していました。1999年に電気工学の学士号、2003年に生体工学の修士号を取得しています。2005年に中国電気学会の専門家会員になりました。Slatteryは、1995年に電子工学の学士号を取得し、アイルランドのリムリック大学を卒業しました。Microsemi社のテスト開発部門に勤務した後、1998年にアナログ・デバイセズに入社しました。上海のアプリケーション部門で3年間働いたのち、現在は産業および計装分野のシステム・アプリケーション・エンジニアとして活躍しています。日本語アナログ・デバイセズは、ウェブサイトの利便性を向上させるためにCookieを使用しています。弊社の会員サービスへ安全にログイン頂くための必要不可欠なCookieと、機能性を高めウェブサイトを最適化するためのCookieがあります。ウェブサイト上での活動データの収集は、弊社の製品およびサービスを改善するために使用されます。当サイトが提供できる最高のパフォーマンスと機能をお使いいただくために、クッキーを承認することをお勧めします。クッキーの詳細をご覧ください。プライバシーポリシーの詳細はこちらをご覧ください。承認して続ける承認して続ける使用されるCookieは、次のように分類されます。必要不可欠なCookie:analog.comの閲覧に必要、または機能的に提供される特定のCookieです。顧客情報をネットワーク送信するという目的に使用されます。お客様が要求するオンラインサービス(技術問合せ送信や、オンラインでの製品購入など)を提供するために必要不可欠です。分析/パフォーマンスCookie:これらのCookieにより、訪問者の数を認識してカウントし、訪問者がWebサイトをどのように移動するかなど、ウェブ分析またはその他の形式の情報を測定できます。これにより、たとえばユーザーが探しているものを簡単に見つけられるようにウェブサイト上のリンクを設定/調整するなど、ユーザビリティの改善に役立ちます。機能的Cookie:これらのCookieは、お客様が当社のウェブサイトに戻ったときにお客様を認識するために使用されます。これにより、コンテンツをパーソナライズし、個人設定(言語や地域の選択、会員サービスへのログイン情報など)を記憶することができます。これらのCookieの情報が失われると、サービスが機能しなくなる場合がありますが、ウェブサイトが機能しなくなることはありません。ターゲティング/プロファイリングCookie:これらのCookieは、当社のWebサイトへのアクセス、およびサービスの使用、アクセスしたページ、追跡したリンクを記録します。この情報を使用して、ウェブサイトとそこに表示される広告を顧客の興味に関連するものにします。その目的のためにこの情報を第三者と共有する場合があります。時間のないエンジニアの皆さんのために、セミナー情報や興味のある製品に関連したさまざまな技術情報を集めてタイムリーにお届けします。AnalogDialogueなどもご紹介しています。