【導讀】電磁流量計是20世紀50~60年代隨著電子技術的發展而興起的新型流量測量儀表，由于其無阻流件等特點，在測量領域得到廣泛應用。持續的技術進步要求不斷提高解決方案的集成度，技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao借助ADI的放大器、模數轉換器，進行了可實現高分辨率、低噪聲的工業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定律。根據法拉第定律，當導電流體流經傳感器的磁場時，電極之間就會產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表示導電流體的運動速度；B表示磁場強度；D 為測量管的內徑；E表示電極兩端測得的電壓；k為常數。B、D和k均為固定值，也可以進行校準，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
- 需要放大數百倍到千倍來配合模數轉換器輸入范圍
- 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。紫色曲線對應正電極，紅色曲線對應負電極，粉色曲線是將正負電極相減的數學計算通道，最終的流量信息需要從該曲線中計算得到。可以看到較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據的提取，這也是電磁流量計設計的關鍵所在。
圖2 電磁流量傳感器的輸出信號
傳統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對漏電流，后級電路經過多階模擬帶通濾波器和采樣保持，最終送入ADC進行轉換。該方法經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，無法監控除流量外的其他屬性參數，如空管檢測、液體中氣泡、污物等；另外由于經過積分和多級濾波，大大降低了系統的響應速度，在流速快速變化過程中將產生比較大的測量誤差，無法滿足像高速灌裝等對快速、精確流量監控的需求。
采用過采樣方法則可大大簡化模擬前端設計，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速度，同時保留更多的傳感器信息，在經過軟件處理后將提供更多的流量屬性參數。
圖3 采用AD8220和AD717x的過采樣架構模擬前端
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鍵的參數。
共模抑制比
隨著被測液體在管道中的流動，液體電解質與電極摩擦產生電勢，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，電壓通常在數百毫伏到2伏之間，前置放大器成為了抑制極化產生的共模電壓的關鍵。
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，作為直流失調出現在放大器輸出端，通過校準予以消除。與此同時，共模電壓會受到液體質量、溫度等其他因素影響，隨時間而變化，校準效果也將受到影響。因此共模抑制比越高，對校準后的影響就會越少，流量穩定性也越好。AD8220放大器在DC到5kHz范圍內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在流量計應用中多為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
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，避免信號幅度減小；同時輸入偏置電流也應當足夠低，這樣當它流經傳感器時，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
模數轉換器選擇
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據點獲得足夠多的模數轉換樣本，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定狀態，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有更高的數據采集速率。
圖6 流量信號采樣
過采樣架構一般要求ADC 數據速率大于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成為了可能。如傳統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分析，提高了產品的瞬時響應能力。
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用。采用2.5 V外部基準電壓源時，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的過采樣架構折合到輸入端噪聲
表4 模擬前端和ADC的噪聲預算
*數據來自一個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，內層屏蔽也需要接上與信號線同電位、低阻抗源的屏蔽驅動，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接口
實際測試結果
下圖為采用了AD8220和AD7172的模擬前端電路，經過采樣處理后在DN100管線上實際標定的最終結果，性能優于國標0.2級指標。
圖9-10 實際測試結果
ADI電磁流量計模擬前端電路方案可以滿足較領先高端流量計的要求，在測量響應速度上具有明顯優勢，能節省成本、優化功耗和面積，Excelpoint世健可以提供相關技術指導和支持。
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