ADI电磁流量计模拟前端电路方案实测

品慧电子讯电磁流量计是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而兴起的新型流量测量仪表，由于其无阻流件等特点，在测量领域得到广泛应用。持续的技术进步要求不断提高解决方案的集成度，技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Nathan Xiao借助ADI的放大器、模数转换器，进行了可实现高分辨率、低噪声的工业电磁流量计模拟前端电路的实测。

电磁流量计工作原理

电磁流量计的工作原理基于法拉第电磁感应定律。根据法拉第定律，当导电流体流经传感器的磁场时，电极之间就会产生与体积流量成正比的电动势，其方向与流向和磁场垂直。电动势幅度可表示为：E = kBDv

其中，V表示导电流体的运动速度；B表示磁场强度；D 为测量管的内径；E表示电极两端测得的电压；k为常数。B、D和k均为固定值，也可以进行校准，从而等式简化为：E ∝ V。

图1 电磁流量计工作原理

传感器线圈励磁频率通常使用1/25、1/16、1/10、1/8、1/4、1/2 of 50Hz/60Hz工频。

传感器输出特性

- 在250mA励磁电流激励下，传感器灵敏度通常是150~200微伏每（米/秒）

- 常见流速测量范围0.01米/秒~15米/秒，1500:1信号动态范围

- 传感器输出为双极性差分信号，从微伏到若干毫伏

- 输出共模电压从几百毫伏到几伏

- 需要放大数百倍到千倍来配合模数转换器输入范围

- 电极输出阻抗从几十欧到几十兆欧

图2为DN50管径、316不锈钢电极在常温水管道上产生的输出信号，使用了恒流源激励，信号中包含有280mV共模电压和100mV的噪声。紫色曲线对应正电极，红色曲线对应负电极，粉色曲线是将正负电极相减的数学计算通道，最终的流量信息需要从该曲线中计算得到。可以看到较低的电平信号淹没在较大的共模电压之中，需要高性能的模拟前端进行数据的提取，这也是电磁流量计设计的关键所在。

图2 电磁流量传感器的输出信号

传统的处理方法为模拟式，前端采用高输入阻抗的前级放大器应对漏电流，后级电路经过多阶模拟带通滤波器和采样保持，最终送入ADC进行转换。该方法经过了积分电路和多级滤波，滤除掉了高频信号，降低了ADC信号分析的难度，但同时也使得大部分传感器信息在该阶段丢失，无法监控除流量外的其他属性参数，如空管检测、液体中气泡、污物等；另外由于经过积分和多级滤波，大大降低了系统的响应速度，在流速快速变化过程中将产生比较大的测量误差，无法满足像高速灌装等对快速、精确流量监控的需求。

采用过采样方法则可大大简化模拟前端设计，模拟带通滤波器和采样保持电路也不再需要。采用AD8220+AD7172的解决方案，可大大提高流量计的测量响应速度，同时保留更多的传感器信息，在经过软件处理后将提供更多的流量属性参数。

图3 采用AD8220和AD717x的过采样架构模拟前端

以下将详细分析模拟前端的具体选择要求。

模拟放大器选择

放大器的共模抑制比和输入阻抗将是两个最为关键的参数。

共模抑制比

随着被测液体在管道中的流动，液体电解质与电极摩擦产生电势，这就是所说的极化。如果两个电极完全一致，电极上的电势彼此相等，可以相互抵消。但在实际中极化不可能完全抵消，电压通常在数百毫伏到2伏之间，前置放大器成为了抑制极化产生的共模电压的关键。

图4 前置放大器的共模抑制

100dB共模抑制比可将0.3V共模衰减到3μV，作为直流失调出现在放大器输出端，通过校准予以消除。与此同时，共模电压会受到液体质量、温度等其他因素影响，随时间而变化，校准效果也将受到影响。因此共模抑制比越高，对校准后的影响就会越少，流量稳定性也越好。AD8220放大器在DC到5kHz范围内具有出色的共模抑制比，如下表所示。

表1 AD8220共模抑制比

仪表放大器放大倍数在流量计应用中多为10倍，对于AD8220 B级，直流到60Hz共模抑制比为110dB，5kHz以下为90dB，能够很好地将共模电压和噪声抑制到微伏水平。

图5 AD8220直流和交流共模抑制效应

表2显示了不同的CMRR对传感器输出信号的影响。

表2 共模抑制对实际流速的影响

输入阻抗

电磁流量传感器的输出阻抗通常在GΩ级。放大器的高输入阻抗可防止传感器输出过载，避免信号幅度减小；同时输入偏置电流也应当足够低，这样当它流经传感器时，不会成为一个显著的误差源。AD8220的最大输入偏置电流为10 pA，输入阻抗为104GΩ，特别适合于电磁流量计传感器的应用。表3列出了不同输入阻抗对10 GΩ 高输出阻抗传感器的影响。

表3 放大器输入阻抗对流速的影响

模数转换器选择

过采样方法由于在仪表放大器的后级去掉了滤波器及增益级，信号幅值非常微弱，仅有一小部分的ADC输入范围可以使用，就需要从这些有限的数据点获得足够多的模数转换样本，从而在处理过程中消除意外毛刺。同时由于励磁方向的切换，大部分时间信号未达到稳定状态，可供ADC采集流速样本的时间在励磁周期的最后10%期间，这就要求ADC有更高的数据采集速率。

图6 流量信号采样

过采样架构一般要求ADC 数据速率大于20 kSPS，而且越快越好。由于不存在模拟带通滤波器，ADC的输入端可以直接看到传感器的原始输出，这样使得通过ADC信号分析传感器工作状态成为了可能。如传统的外加硬件电路和程序，进行传感器空管定时检测功能，使用该电路后可实时进行空管的状态分析，提高了产品的瞬时响应能力。

AD7172-2提供低输入噪声和高采样速度的完美组合，特别适合于电磁流量计应用。采用2.5 V外部基准电压源时，AD7172-2的典型噪声低至0.47μV p-p。这意味着，最终流量结果的刷新速率可以达到50 SPS，而不需要增加外部放大级。图4显示了采用AD7172-2 的过采样前端电路的噪声曲线。

图7 采用AD8220和AD7172的过采样架构折合到输入端噪声

表4 模拟前端和ADC的噪声预算

*数据来自一个FIR滤波器周期和一次瞬时流量计算。

前端放大器屏蔽抑制

电磁流量传感器输出信号十分微弱，为了防止外界噪声侵入，信号电缆通常采用双芯屏蔽线。在实际使用中，特别是分体式使用中，传感器和转换器相距较远，为防止信号线与屏蔽层的分布电容造成信号衰减，内层屏蔽也需要接上与信号线同电位、低阻抗源的屏蔽驱动，最大程度保留流量信号的完整性，如下图中两个OP07D的示例。

为了最大程度降低泄漏电流，在PCB走线中，也可参考示意图中虚线部分，将缓冲电压连接至输入信号路径周围的未屏蔽走线区域，从而保护传感器输出信号。

图8 前端放大器和电磁流量传感器之间实现接口

实际测试结果

下图为采用了AD8220和AD7172的模拟前端电路，经过采样处理后在DN100管线上实际标定的最终结果，性能优于国标0.2级指标。

图9-10 实际测试结果

ADI电磁流量计模拟前端电路方案可以满足较领先高端流量计的要求，在测量响应速度上具有明显优势，能节省成本、优化功耗和面积，Excelpoint世健可以提供相关技术指导和支持。

关于世健——亚太区领先的元器件授权代理商

世健是完整解决方案的供应商，为亚洲电子厂商包括原设备生产商(OEM)、原设计生产商(ODM)和电子制造服务提供商(EMS)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。

世健与供应商及电子厂商紧密协作，为新的科技与趋势作出定位，并帮助客户把这些最先进的科技揉合于他们的产品当中。集团分别在新加坡、中国及越南设有研发中心，专业的研发团队不断创造新的解决方案，帮助客户提高成本效益并缩短产品上市时间。世健研发的完整解决方案及参考设计可应用于工业、无线通信及消费电子等领域。世健是新加坡的主板上市公司，总部设于新加坡，拥有约650名员工，业务范围已扩展至亚太区40多个城市和地区，遍及新加坡、马来西亚、泰国、越南、中国、印度、印度尼西亚、菲律宾及澳大利亚等十多个国家。世健集团在2020年的年营业额超过11亿美元。1993年，世健在香港设立区域总部——世健系统（香港）有限公司，正式开始发展中国业务。目前，世健在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。

ADI电磁流量计模拟前端电路方案实测

相关文章

用户评论

发表评论

最新内容