Analoog meten in een digitaal tijdperk

Ontwerp van flowmeter voor omgeving met straling

Al jaren is het praktijk in meet- en regeltechniek om analoge signalen zo snel mogelijk om te zetten van analoge naar digitale informatie en andersom. In het digitale domein heb je geen last van afwijkingen door temperatuur en veroudering. Verder is er nauwelijks verlies van nauwkeurigheid in een keten van bewerkingen. Tegenwoordig heb je zeer goede en betaalbare analoog naar digitaal (A/D) omzetters en digitaal naar analoog (D/A) omzetters. Ook een krachtige microcontroller kost amper € 1,-. Het zijn allemaal voordelen, waarbij ook de ontwikkeling voordeel heeft. Immers, een late wijziging in software kun je nog downloaden in hardware die al gereed is. Desondanks kreeg 3T van Krohne Altometer uit Dordrecht het verzoek om een meetsysteem met uitsluitend analoge elektronica te ontwikkelen. In dit artikel leggen we uit waarom, welke bijzondere problemen je kunt tegenkomen en wat het resultaat is.

EM Flow Meter Krohne Altometer

Figuur 1: EM Flow Meter van KROHNE Altometer

Krohne ontwikkelt en produceert flowmeters. In dit geval gaat het om de elektronica voor een elektromagnetische flowmeter. Zo’n EM-flowmeter bestaat uit een meetbuis zonder bewegende delen, die de doorstroming van vloeistof niet zouden kunnen hinderen. De bijbehorende elektronica bevat een circuit voor het opwekken van een magnetisch veld in de meetbuis en een meetsysteem voor de spanning van elektroden in de wand van de meetbuis. De gangbare converter’, zoals Krohne de meetelektronica noemt, bevat een microcontroller voor digitale verwerking en kan, afhankelijk van de uitvoering, met een nauwkeurigheid tot 0,5% de flow bepalen.

Krohne leverde een type converter dat analoog werkte, maar dan met een nauwkeurigheid binnen 2% tot 5%. De voorwaarde aan de ontwikkeling van een nieuwe analoge converter was, dat deze met een nauwkeurigheid beter dan 1% werkt, met als ontwerpdoel 0,5%.

Wat is een EM-flowmeter?

Een elektromagnetische (EM) flowmeter is gebaseerd op de elektromagnetische wetten van Faraday. Wanneer een elektrische geleider beweegt in een magnetisch veld, dan treedt een elektrische spanning op in de geleider. Voor een EM-flowmeter is de vloeistof de ‘geleider’ en die vloeistof moet dus enige elektrische geleiding bezitten. Als de afmetingen van de geleider (meetbuis) bekend zijn, dan volgt daar de flow uit.

Meet principe EM Flowmeter

Figuur 2: Opbouw van een meetbuis

De opbouw van een meetbuis is te zien in figuur 2. Spoelen leveren het magnetische veld B. Wanneer de vloeistof door het magnetisch veld stroomt, leveren de elektroden in de wand van de meetbuis een spanning U die evenredig is met de stroomsnelheid van de vloeistof:

U = k * B * D * v

waarin

U is de resulterende spanning;
k is een kalibratieconstante;
B is magnetisch veld;
D is de diameter van de meetbuis;
v is de stroomsnelheid van de vloeistof.

Waarom een analoog ontwerp?

De klant van Krohne wil de flowmeter toepassen in een kerncentrale. De flowmeter is gemonteerd in een ruimte die onder normale omstandigheden niet aan veel straling wordt bloot gesteld. Echter, bij calamiteiten kan wel straling optreden. In zo’n geval wil de klant zeker weten of de flowmeter correct aangeeft hoeveel (koel)water er stroomt.

Bij een digitaal instrument gaat dat veel eerder mis dan bij een analoog instrument. Het programma van een microcontroller is opgeslagen op basis van kleine elektrische ladingen. De elektrische ladingen in flashgeheugen houden tientallen jaren stand. Maar bij radioactieve straling kan een geheugencel gemakkelijk en definitief ontladen. Dan werkt een microcontroller niet meer.

Een analoog ontwerp heeft veel minder last van straling. Straling kan de meting beïnvloeden, maar als de straling afneemt werkt alles weer. Een analoog meetsysteem werkt onder inwerking van radioactieve straling veel betrouwbaarder dan een digitaal meetsysteem. Tevens is er een voorkeur om in de hier bedoelde meetfunctie, dit veiligheidsoverwegingen, geen software te gebruiken.

Eisen en specificaties

De belangrijkste eisen voor de flowmeter zijn:

  • stroom voor opwekken magnetisch veld: 125 mA;
  • ingangsimpedantie meetcircuit sensorsignaal: >1010 Ω;
  • nauwkeurigheid: 1%, ontwerpdoel 0,5%;
  • current-loop uitgang: 4 … 20 mA;
  • bargraph signalering stroomsnelheid: 20 led’s.

Een algemene eis is het instellen van een uniforme kalibratiefactor die geldig is voor alle typen converters. De vormgeving van de PCB’s is conform de bestaande IFC300 signal converter. Ook de al bestaande voeding voor een IFC300 converter zal opnieuw worden gebruikt. Verder dient de hardware te voldoen aan ISO en RCC-E normen.

Werking EM-flowmeter

Meetprincipe

Zijn we nu klaar om stroming te meten? Natuurlijk niet. De te meten spanning op de elektroden is slechts millivolts groot en heeft een hoge bronweerstand. Bovendien zullen de elektroden, door de aanwezige spanning, elektrochemisch aangetast kunnen worden. Het magnetisch veld wordt regelmatig gewisseld van polariteit.

Meetsignalen sensor Krohne

Figuur 3: Meet signaal en bemonstering

De meetspanning op de elektroden zal dan ook van polariteit wisselen. Hiermee is aantasting van de elektroden te voorkomen en kan storing op het meetsignaal worden gefilterd. Aan de andere kant moet het meetsysteem in twee richtingen kunnen meten en het signaal synchroon demoduleren.

Kalibratie

Elke converter is gekalibreerd op een nominale stroomsnelheid. Voor elke meetbuis (flow-sensor) bepaalt Krohne een constante die aangeeft hoeveel flow er daadwerkelijk gemeten wordt. Deze constante wordt in de converter ingesteld.

Ontwerp

Voorafgaand aan het ontwerp heeft 3T alle eisen in kaart gebracht. Een bijzonder onderdeel is de interpretatie van verschillende normen en de toepassing op de converter en de meetbuis. De eerste uitdaging was om te onderzoeken of het meetsysteem correct is geïmplementeerd. Van het ontwerp is een werkend model gemaakt met slechts de hoogst nodige circuits. Het werkende model is getest op een testsysteem met water bij Krohne en heeft belangrijke verbeteringen opgeleverd.

Sensor interface print Krohne

Figuur 4: De analoge converter AFC030. Voor de foto is de afscherming van gevoelige elektronica verwijderd.

 

Simulaties

Tijdens het ontwerp is veel gesimuleerd.Dat is gedaan met:

  • een simulator voor de elektronica die een flow-sensor vervangt. Deze simulator van Krohne is heel nauwkeurig, maar levert geen galvanische scheiding die voor het testen van dit ontwerp wel nodig is.
  • een simulator voor de elektronica op basis van een Hall-detector, die de sensor vervangt. Dit circuit is ontworpen door 3T en minder nauwkeurig dan de simulator, maar levert wel een galvanische scheiding.
  • een testsysteem met water waarin meerdere meetinstrumenten achter elkaar gemonteerd kunnen worden. Dit systeem is aanwezig bij Krohne.
  • een ontwikkelomgeving voor elektronicaontwerpen, gebaseerd op LTspice (nu versie IV). Hiermee zijn belangrijke delen van het systeem ontwikkeld voor een goed gebruik bij uiteenlopende belastingen en bij variatie in temperatuur.
  • eenvoudige hulpmiddelen voor het belasten van de uitgang voor de magnetische sensor en voor het belasten van de ingang voor de elektroden.

Normen (Ensecc en RCC-E)

De EMC testen zijn gebeurd volgens Ensecc 060193, rev A, op basis van elektronica met performance criteria B, waarbij een tijdelijk verlies van functie is toegestaan, en het systeem zich na wegvallen van de storing zelf moet herstellen.

Met Krohne is afgesproken om performance criteria A toe te passen, waarbij verlies van functie niet is toegestaan. Het EMC gedrag leverde een restpunt, dat goed is opgelost door het toevoegen van enkele passieve filters.

De RCC-E norm gaat in op het gedrag van netspanning. Verder stelt de norm eisen aan Quality Assurance bij de productie. Het pakket van eisen stelt ook dat de converter blijft werken tot 0,5 seconde uitval van de netspanning. De bestaande voedingsmodule voldoet niet aan deze eis. Daarom is een apart board aan de voeding toegevoegd voor energie buffering.

Kwalificatie

Na de realisatie van een ontwikkelingsmodel zijn zes prototypen van een kwalificatiemodel gemaakt. De controle op de juiste werking en alle kwalificaties zijn op deze exemplaren uitgevoerd. Na enkele kleine verbeteringen is het productiemodel definitief gemaakt. Daarbij is rekening gehouden met het fabrieksmatig testen bij de producent.

Flow-testopstelling – en afwijking

Bij Krohne staat een flow-testopstelling voor kleinere typen sensoren. Een IFC300 sensor als meetinstrument wordt dan vergeleken met een andere sensor in dezelfde buis met water. Het gaat om een gesloten systeem, waarbij de geleidbaarheid van water ruwweg is in te stellen. Daarmee heeft 3T goede testen kunnen doen.

Environmental tests

De elektronica is zo goed mogelijk getest bij Maser op thermische eigenschappen. Een belangrijke test was het behalen van een goede aanwijzing bij lage en hoge temperatuur van het water. Dat is zonder water gedaan, maar wel met variatie in temperatuur van de sensorelektronica van +5 °C tot en met +65 °C. De resultaten bleven binnen de specificaties van RCC-E 5. Bij ‘0% flow’ is de afwijking maximaal 0,4%, bij ‘50% flow’ is de afwijking maximaal + of – 0,15% van de volle schaal waarde. Dit zijn goede waarden voor een analoog meetinstrument.

Afwijking door remanent magnetisme sensor

Bij de latere testen op de meetopstelling bij Krohne is de AFC030 converter vergeleken met de IFC300 converter op dezelfde sensor. Er blijkt een afwijking in het meetsignaal aanwezig van ongeveer 1,5% die 3T niet kon verklaren. Wel ontdekte men dat de gebruikte sensor een beetje remanent magnetische eigenschappen bevat.

Door het effect van remanent magnetisme zou de afwijking goed zijn te verklaren. Bij de analoge AFC030 is te zien dat het omschakelen van het magnetisch veld op de sensor, een grotere inschakelpiek oplevert dan bij de digitale versie IFC300. Magnetisch materiaal in de sensor neemt een hoeveelheid remanent magnetisme aan die veroorzaakt wordt door de piek van het magnetische signaal. Hoewel er alleen is gemeten vanaf het moment dat het magnetisch veld stabiel is, blijkt er toch een afwijking te zijn.

Ook de IFC300 vertoont dit effect, maar het is door de kalibratie gecompenseerd. De uitdaging is nu om het verloop van het magnetisch veld identiek te maken aan dat van de IFC300. Alleen dan kunnen we de bestaande kalibratiefactoren blijven gebruiken.

Kwalificatie door Krohne

Uiteindelijk zijn de afgeleverde prototypeboards nog eens getest op aanwijzing van een flow door Krohne en akkoord bevonden.

Eindbeoordeling

Het volgende is getest aan de AFC030:

  • het functionele gedrag;
  • het thermische gedrag, onder meer de stabiliteit bij hoge en lage temperaturen;
  •  het EMC-gedrag, op basis van een interpretatie van Ensecc.

Vergelijkende test door klant van Krohne

Bij een vergelijkende test door de klant van Krohne met een AFC030 sensor en een IFC300 op dezelfde sensor blijkt het verschil in meetresultaten slechts 0,2% te zijn. Aan de doelstelling om het gedrag van de digitale en de analoge converter gelijk te maken is zeker voldaan.

Ing. Klaas Bangma, 3T (†2015)

ir. Richard Mijnheer, 3T

Bron: Elektronica, No. 3-2016, 15 maart 2016