【導(dǎo)讀】電磁流量計是20世紀(jì)50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而興起的新型流量測量儀表，由于其無阻流件等特點，在測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。持續(xù)的技術(shù)進步要求不斷提高解決方案的集成度，技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao借助ADI的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進行了可實現(xiàn)高分辨率、低噪聲的工業(yè)電磁流量計模擬前端電路的實測。
電磁流量計工作原理
電磁流量計的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)傳感器的磁場時，電極之間就會產(chǎn)生與體積流量成正比的電動勢，其方向與流向和磁場垂直。電動勢幅度可表示為：E = kBDv
其中，V表示導(dǎo)電流體的運動速度；B表示磁場強度；D 為測量管的內(nèi)徑；E表示電極兩端測得的電壓；k為常數(shù)。B、D和k均為固定值，也可以進行校準(zhǔn)，從而等式簡化為：E ∝ V。
圖1 電磁流量計工作原理
傳感器線圈勵磁頻率通常使用1/25、1/16、1/10、1/8、1/4、1/2 of 50Hz/60Hz工頻。
傳感器輸出特性
- 在250mA勵磁電流激勵下，傳感器靈敏度通常是150~200微伏每（米/秒）
- 常見流速測量范圍0.01米/秒~15米/秒，1500:1信號動態(tài)范圍
- 傳感器輸出為雙極性差分信號，從微伏到若干毫伏
- 輸出共模電壓從幾百毫伏到幾伏
- 需要放大數(shù)百倍到千倍來配合模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍
- 電極輸出阻抗從幾十歐到幾十兆歐
圖2為DN50管徑、316不銹鋼電極在常溫水管道上產(chǎn)生的輸出信號，使用了恒流源激勵，信號中包含有280mV共模電壓和100mV的噪聲。紫色曲線對應(yīng)正電極，紅色曲線對應(yīng)負電極，粉色曲線是將正負電極相減的數(shù)學(xué)計算通道，最終的流量信息需要從該曲線中計算得到?？梢钥吹捷^低的電平信號淹沒在較大的共模電壓之中，需要高性能的模擬前端進行數(shù)據(jù)的提取，這也是電磁流量計設(shè)計的關(guān)鍵所在。
圖2 電磁流量傳感器的輸出信號
傳統(tǒng)的處理方法為模擬式，前端采用高輸入阻抗的前級放大器應(yīng)對漏電流，后級電路經(jīng)過多階模擬帶通濾波器和采樣保持，最終送入ADC進行轉(zhuǎn)換。該方法經(jīng)過了積分電路和多級濾波，濾除掉了高頻信號，降低了ADC信號分析的難度，但同時也使得大部分傳感器信息在該階段丟失，無法監(jiān)控除流量外的其他屬性參數(shù)，如空管檢測、液體中氣泡、污物等；另外由于經(jīng)過積分和多級濾波，大大降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在流速快速變化過程中將產(chǎn)生比較大的測量誤差，無法滿足像高速灌裝等對快速、精確流量監(jiān)控的需求。
采用過采樣方法則可大大簡化模擬前端設(shè)計，模擬帶通濾波器和采樣保持電路也不再需要。采用AD8220+AD7172的解決方案，可大大提高流量計的測量響應(yīng)速度，同時保留更多的傳感器信息，在經(jīng)過軟件處理后將提供更多的流量屬性參數(shù)。
圖3 采用AD8220和AD717x的過采樣架構(gòu)模擬前端
以下將詳細分析模擬前端的具體選擇要求。
模擬放大器選擇
放大器的共模抑制比和輸入阻抗將是兩個最為關(guān)鍵的參數(shù)。
共模抑制比
隨著被測液體在管道中的流動，液體電解質(zhì)與電極摩擦產(chǎn)生電勢，這就是所說的極化。如果兩個電極完全一致，電極上的電勢彼此相等，可以相互抵消。但在實際中極化不可能完全抵消，電壓通常在數(shù)百毫伏到2伏之間，前置放大器成為了抑制極化產(chǎn)生的共模電壓的關(guān)鍵。
圖4 前置放大器的共模抑制
100dB共模抑制比可將0.3V共模衰減到3μV，作為直流失調(diào)出現(xiàn)在放大器輸出端，通過校準(zhǔn)予以消除。與此同時，共模電壓會受到液體質(zhì)量、溫度等其他因素影響，隨時間而變化，校準(zhǔn)效果也將受到影響。因此共模抑制比越高，對校準(zhǔn)后的影響就會越少，流量穩(wěn)定性也越好。AD8220放大器在DC到5kHz范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比，如下表所示。
表1 AD8220共模抑制比
儀表放大器放大倍數(shù)在流量計應(yīng)用中多為10倍，對于AD8220 B級，直流到60Hz共模抑制比為110dB，5kHz以下為90dB，能夠很好地將共模電壓和噪聲抑制到微伏水平。
圖5 AD8220直流和交流共模抑制效應(yīng)
表2顯示了不同的CMRR對傳感器輸出信號的影響。
表2 共模抑制對實際流速的影響
輸入阻抗
電磁流量傳感器的輸出阻抗通常在GΩ級。放大器的高輸入阻抗可防止傳感器輸出過載，避免信號幅度減?。煌瑫r輸入偏置電流也應(yīng)當(dāng)足夠低，這樣當(dāng)它流經(jīng)傳感器時，不會成為一個顯著的誤差源。AD8220的最大輸入偏置電流為10 pA，輸入阻抗為104GΩ，特別適合于電磁流量計傳感器的應(yīng)用。表3列出了不同輸入阻抗對10 GΩ 高輸出阻抗傳感器的影響。
表3 放大器輸入阻抗對流速的影響
模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇
過采樣方法由于在儀表放大器的后級去掉了濾波器及增益級，信號幅值非常微弱，僅有一小部分的ADC輸入范圍可以使用，就需要從這些有限的數(shù)據(jù)點獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本，從而在處理過程中消除意外毛刺。同時由于勵磁方向的切換，大部分時間信號未達到穩(wěn)定狀態(tài)，可供ADC采集流速樣本的時間在勵磁周期的最后10%期間，這就要求ADC有更高的數(shù)據(jù)采集速率。
圖6 流量信號采樣
過采樣架構(gòu)一般要求ADC 數(shù)據(jù)速率大于20 kSPS，而且越快越好。由于不存在模擬帶通濾波器，ADC的輸入端可以直接看到傳感器的原始輸出，這樣使得通過ADC信號分析傳感器工作狀態(tài)成為了可能。如傳統(tǒng)的外加硬件電路和程序，進行傳感器空管定時檢測功能，使用該電路后可實時進行空管的狀態(tài)分析，提高了產(chǎn)品的瞬時響應(yīng)能力。
AD7172-2提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合，特別適合于電磁流量計應(yīng)用。采用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源時，AD7172-2的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著，最終流量結(jié)果的刷新速率可以達到50 SPS，而不需要增加外部放大級。圖4顯示了采用AD7172-2 的過采樣前端電路的噪聲曲線。
圖7 采用AD8220和AD7172的過采樣架構(gòu)折合到輸入端噪聲
表4 模擬前端和ADC的噪聲預(yù)算
*數(shù)據(jù)來自一個FIR濾波器周期和一次瞬時流量計算。
前端放大器屏蔽抑制
電磁流量傳感器輸出信號十分微弱，為了防止外界噪聲侵入，信號電纜通常采用雙芯屏蔽線。在實際使用中，特別是分體式使用中，傳感器和轉(zhuǎn)換器相距較遠，為防止信號線與屏蔽層的分布電容造成信號衰減，內(nèi)層屏蔽也需要接上與信號線同電位、低阻抗源的屏蔽驅(qū)動，最大程度保留流量信號的完整性，如下圖中兩個OP07D的示例。
為了最大程度降低泄漏電流，在PCB走線中，也可參考示意圖中虛線部分，將緩沖電壓連接至輸入信號路徑周圍的未屏蔽走線區(qū)域，從而保護傳感器輸出信號。
圖8 前端放大器和電磁流量傳感器之間實現(xiàn)接口
實際測試結(jié)果
下圖為采用了AD8220和AD7172的模擬前端電路，經(jīng)過采樣處理后在DN100管線上實際標(biāo)定的最終結(jié)果，性能優(yōu)于國標(biāo)0.2級指標(biāo)。
圖9-10 實際測試結(jié)果
ADI電磁流量計模擬前端電路方案可以滿足較領(lǐng)先高端流量計的要求，在測量響應(yīng)速度上具有明顯優(yōu)勢，能節(jié)省成本、優(yōu)化功耗和面積，Excelpoint世健可以提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)和支持。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費電子等領(lǐng)域。世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務(wù)范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過11億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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