工業(yè)電磁流量計(jì)模擬前端電路方案

電磁流量計(jì)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(cè)量?jī)x表，由于其無(wú)阻流件等特點(diǎn)，在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。持續(xù)的技術(shù)進(jìn)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(jìn)行了可實(shí)現(xiàn)高分辨率、低噪聲的工業(yè)電磁流量計(jì)模擬前端電路的實(shí)測(cè)。

電磁流量計(jì)工作原理

電磁流量計(jì)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(chǎng)時(shí)，電極之間就會(huì)產(chǎn)生與體積流量成正比的電動(dòng)勢(shì)，其方向與流向和磁場(chǎng)垂直。電動(dòng)勢(shì)幅度可表示為：E = kBDv

其中，V表示導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)速度;B表示磁場(chǎng)強(qiáng)度;D 為測(cè)量管的內(nèi)徑;E表示電極兩端測(cè)得的電壓;k為常數(shù)。B、D和k均為固定值，也可以進(jìn)行校準(zhǔn)，從而等式簡(jiǎn)化為：E ∝ V。

圖1 電磁流量計(jì)工作原理

傳感器線圈勵(lì)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(lì)磁電流激勵(lì)下，傳感器靈敏度通常是150~200微伏每(米/秒)

● 常見(jiàn)流速測(cè)量范圍0.01米/秒~15米/秒，1500:1信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍

● 傳感器輸出為雙極性差分信號(hào)，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(lái)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(hào)，使用了恒流源激勵(lì)，信號(hào)中包含有280mV共模電壓和100mV的噪聲。紫色曲線對(duì)應(yīng)正電極，紅色曲線對(duì)應(yīng)負(fù)電極，粉色曲線是將正負(fù)電極相減的數(shù)學(xué)計(jì)算通道，最終的流量信息需要從該曲線中計(jì)算得到?？梢钥吹捷^低的電平信號(hào)淹沒(méi)在較大的共模電壓之中，需要高性能的模擬前端進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取，這也是電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

圖2 電磁流量傳感器的輸出信號(hào)

傳統(tǒng)的處理方法為模擬式，前端采用高輸入阻抗的前級(jí)放大器應(yīng)對(duì)漏電流，后級(jí)電路經(jīng)過(guò)多階模擬帶通濾波器和采樣保持，最終送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該方法經(jīng)過(guò)了積分電路和多級(jí)濾波，濾除掉了高頻信號(hào)，降低了ADC信號(hào)分析的難度，但同時(shí)也使得大部分傳感器信息在該階段丟失，無(wú)法監(jiān)控除流量外的其他屬性參數(shù)，如空管檢測(cè)、液體中氣泡、污物等;另外由于經(jīng)過(guò)積分和多級(jí)濾波，大大降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在流速快速變化過(guò)程中將產(chǎn)生比較大的測(cè)量誤差，無(wú)法滿足像高速灌裝等對(duì)快速、精確流量監(jiān)控的需求。

采用過(guò)采樣方法則可大大簡(jiǎn)化模擬前端設(shè)計(jì)，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(jì)的測(cè)量響應(yīng)速度，同時(shí)保留更多的傳感器信息，在經(jīng)過(guò)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(guò)采樣架構(gòu)模擬前端

以下將詳細(xì)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(gè)最為關(guān)鍵的參數(shù)。

共模抑制比

隨著被測(cè)液體在管道中的流動(dòng)，液體電解質(zhì)與電極摩擦產(chǎn)生電勢(shì)，這就是所說(shuō)的極化。如果兩個(gè)電極完全一致，電極上的電勢(shì)彼此相等，可以相互抵消。但在實(shí)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(guò)校準(zhǔn)予以消除。與此同時(shí)，共模電壓會(huì)受到液體質(zhì)量、溫度等其他因素影響，隨時(shí)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(duì)校準(zhǔn)后的影響就會(huì)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(jì)應(yīng)用中多為10倍，對(duì)于AD8220 B級(jí)，直流到60Hz共模抑制比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(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。

表2 共模抑制對(duì)實(shí)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(jí)。放大器的高輸入阻抗可防止傳感器輸出過(guò)載，避免信號(hào)幅度減小;同時(shí)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(shí)，不會(huì)成為一個(gè)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(jì)傳感器的應(yīng)用。表3列出了不同輸入阻抗對(duì)10 GΩ 高輸出阻抗傳感器的影響。

表3 放大器輸入阻抗對(duì)流速的影響

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇

過(guò)采樣方法由于在儀表放大器的后級(jí)去掉了濾波器及增益級(jí)，信號(hào)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(diǎn)獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本，從而在處理過(guò)程中消除意外毛刺。同時(shí)由于勵(lì)磁方向的切換，大部分時(shí)間信號(hào)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可供ADC采集流速樣本的時(shí)間在勵(lì)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(hào)采樣

過(guò)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(guò)ADC信號(hào)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(jìn)行傳感器空管定時(shí)檢測(cè)功能，使用該電路后可實(shí)時(shí)進(jìn)行空管的狀態(tài)分析，提高了產(chǎn)品的瞬時(shí)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(jì)應(yīng)用。采用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，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(dá)到50 SPS，而不需要增加外部放大級(jí)。圖4顯示了采用AD7172-2 的過(guò)采樣前端電路的噪聲曲線。

圖7 采用AD8220和AD7172的

過(guò)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(lái)自一個(gè)FIR濾波器周期和一次瞬時(shí)流量計(jì)算。

前端放大器屏蔽抑制

電磁流量傳感器輸出信號(hào)十分微弱，為了防止外界噪聲侵入，信號(hào)電纜通常采用雙芯屏蔽線。在實(shí)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(yuǎn)，為防止信號(hào)線與屏蔽層的分布電容造成信號(hào)衰減，內(nèi)層屏蔽也需要接上與信號(hào)線同電位、低阻抗源的屏蔽驅(qū)動(dòng)，最大程度保留流量信號(hào)的完整性，如下圖中兩個(gè)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(hào)路徑周?chē)奈雌帘巫呔€區(qū)域，從而保護(hù)傳感器輸出信號(hào)。