ADI电磁流量计模拟前端电路方案实测

产品简介：

  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，在测量领域得到普遍应用。持续的技术进步要求逐步的提升解决方案的集成度，技术型授权代理商Excelpoint世健的

  电磁流量计的工作原理是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，也能够直接进行校准，从而等式简化为：E ∝ V。

  - 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

  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。能够正常的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。

  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，大幅度的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，不足以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，可大幅度的提升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。

  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。

  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，校准效果也将受一定的影响。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范围内具有非常出色的共模抑制比，如下表所示。

  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。

  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。

  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输入范围能够正常的使用，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。

  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。这在某种程度上预示着，最终流量结果的刷新速率能够达到50 SPS，而不要增加外部放大级。图4显示了采用AD7172-2 的过采样前端电路的噪声曲线的过采样架构折合到输入端噪声

  为了最大限度降低泄漏电流，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。

  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。

  ADI电磁流量计模拟前端电路方案能够完全满足较领先高端流量计的要求，在测量响应速度上有着非常明显优势，能节省成本、优化功耗和面积，Excelpoint世健能够给大家提供有关技术指导和支持。

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