【導讀】電磁流量計是20世紀50~60年(nian)代(dai)隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)而(er)興(xing)起(qi)的(de)新(xin)型(xing)流(liu)量(liang)測(ce)量(liang)儀(yi)表(biao)
，由(you)於(yu)其(qi)無(wu)阻(zu)流(liu)件(jian)等(deng)特(te)點(dian)，在(zai)測(ce)量(liang)領(ling)域(yu)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。持(chi)續(xu)的(de)技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)要(yao)求(qiu)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)
，技(ji)術(shu)型(xing)授(shou)權(quan)代(dai)理(li)商(shang)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(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)基(ji)於(yu)法(fa)拉(la)第(di)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)定(ding)律(lv)。根(gen)據(ju)法(fa)拉(la)第(di)定(ding)律(lv)，當(dang)導(dao)電(dian)流(liu)體(ti)流(liu)經(jing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)磁(ci)場(chang)時(shi)
，電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)與(yu)體(ti)積(ji)流(liu)量(liang)成(cheng)正(zheng)比(bi)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)，其(qi)方(fang)向(xiang)與(yu)流(liu)向(xiang)和(he)磁(ci)場(chang)垂(chui)直(zhi)。電(dian)動(dong)勢(shi)幅(fu)度(du)可(ke)表(biao)示(shi)為(wei)：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）

- 常見流速測量範圍0.01米/秒~15米/秒，1500:1信號動態範圍

- 傳感器輸出為雙極性差分信號，從微伏到若幹毫伏

- 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範圍

- 電極輸出阻抗從幾十歐到幾十兆歐

圖2為DN50管徑、316不鏽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(de)噪(zao)聲(sheng)。紫(zi)色(se)曲(qu)線(xian)對(dui)應(ying)正(zheng)電(dian)極(ji)
，紅(hong)色(se)曲(qu)線(xian)對(dui)應(ying)負(fu)電(dian)極(ji)，粉(fen)色(se)曲(qu)線(xian)是(shi)將(jiang)正(zheng)負(fu)電(dian)極(ji)相(xiang)減(jian)的(de)數(shu)學(xue)計(ji)算(suan)通(tong)道(dao)，最(zui)終(zhong)的(de)流(liu)量(liang)信(xin)息(xi)需(xu)要(yao)從(cong)該(gai)曲(qu)線(xian)中(zhong)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)。可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)較(jiao)低(di)的(de)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)淹(yan)沒(mei)在(zai)較(jiao)大(da)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)之(zhi)中(zhong)，需(xu)要(yao)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)的(de)提(ti)取(qu)，這(zhe)也(ye)是(shi)電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)所(suo)在(zai)。

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，後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、汙物等
；另(ling)外(wai)由(you)於(yu)經(jing)過(guo)積(ji)分(fen)和(he)多(duo)級(ji)濾(lv)波(bo)
，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，在(zai)流(liu)速(su)快(kuai)速(su)變(bian)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)將(jiang)產(chan)生(sheng)比(bi)較(jiao)大(da)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)，無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)像(xiang)高(gao)速(su)灌(guan)裝(zhuang)等(deng)對(dui)快(kuai)速(su)
、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，在經過軟件處理後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

放大器的共模抑製比和輸入阻抗將是兩個最為關鍵的參數。

共模抑製比

隨sui著zhe被bei測ce液ye體ti在zai管guan道dao中zhong的de流liu動dong，液ye體ti電dian解jie質zhi與yu電dian極ji摩mo擦ca產chan生sheng電dian勢shi，這zhe就jiu是shi所suo說shuo的de極ji化hua。如ru果guo兩liang個ge電dian極ji完wan全quan一yi致zhi
，電dian極ji上shang的de電dian勢shi彼bi此ci相xiang等deng，可ke以yi相xiang互hu抵di消xiao。但dan在zai實shi際ji中zhong極ji化hua不bu可ke能neng完wan全quan抵di消xiao，電dian壓ya通tong常chang在zai數shu百bai毫hao伏fu到dao2伏之間，前置放大器成為了抑製極化產生的共模電壓的關鍵。

圖4 前置放大器的共模抑製

100dB共模抑製比可將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。因此共模抑製比越高
，對校準後的影響就會越少，流量穩定性也越好。AD8220放大器在DC到5kHz範圍內具有出色的共模抑製比
，如下表所示。

表1 AD8220共模抑製比

儀表放大器放大倍數在流量計應用中多為10倍，對於AD8220 B級，直流到60Hz共模抑製比為110dB，5kHz以下為90dB，能夠很好地將共模電壓和噪聲抑製到微伏水平。

圖5 AD8220直流和交流共模抑製效應

表2顯示了不同的CMRR對傳感器輸出信號的影響。

表2 共模抑製對實際流速的影響

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，特別適合於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

過采樣方法由於在儀表放大器的後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(shu)入(ru)範(fan)圍(wei)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)
，就(jiu)需(xu)要(yao)從(cong)這(zhe)些(xie)有(you)限(xian)的(de)數(shu)據(ju)點(dian)獲(huo)得(de)足(zu)夠(gou)多(duo)的(de)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)樣(yang)本(ben)，從(cong)而(er)在(zai)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)中(zhong)消(xiao)除(chu)意(yi)外(wai)毛(mao)刺(ci)。同(tong)時(shi)由(you)於(yu)勵(li)磁(ci)方(fang)向(xiang)的(de)切(qie)換(huan)，大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)信(xin)號(hao)未(wei)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，可(ke)供(gong)ADC采集流速樣本的時間在勵磁周期的最後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 數據速率大於20 kSPS，而且越快越好。由於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xin號hao分fen析xi傳chuan感gan器qi工gong作zuo狀zhuang態tai成cheng為wei了le可ke能neng。如ru傳chuan統tong的de外wai加jia硬ying件jian電dian路lu和he程cheng序xu
，進jin行xing傳chuan感gan器qi空kong管guan定ding時shi檢jian測ce功gong能neng，使shi用yong該gai電dian路lu後hou可ke實shi時shi進jin行xing空kong管guan的de狀zhuang態tai分fen析xi，提ti高gao了le產chan品pin的de瞬shun時shi響xiang應ying能neng力li。

AD7172-2提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合，特別適合於電磁流量計應用。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。

前端放大器屏蔽抑製

電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)十(shi)分(fen)微(wei)弱(ruo)

，為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)外(wai)界(jie)噪(zao)聲(sheng)侵(qin)入(ru)，信(xin)號(hao)電(dian)纜(lan)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)雙(shuang)芯(xin)屏(ping)蔽(bi)線(xian)。在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)，特(te)別(bie)是(shi)分(fen)體(ti)式(shi)使(shi)用(yong)中(zhong)，傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)轉(zhuan)換(huan)器(qi)相(xiang)距(ju)較(jiao)遠(yuan)，為(wei)防(fang)止(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)與(yu)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)的(de)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)造(zao)成(cheng)信(xin)號(hao)衰(shuai)減(jian)，內(nei)層(ceng)屏(ping)蔽(bi)也(ye)需(xu)要(yao)接(jie)上(shang)與(yu)信(xin)號(hao)線(xian)同(tong)電(dian)位(wei)
、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，將緩衝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，經過采樣處理後在DN100管線上實際標定的最終結果
，性能優於國標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
、優化功耗和麵積，Excelpoint世健可以提供相關技術指導和支持。

關於世健——亞太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

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