Excelpoint - ADI電磁流量計模擬前端電路方案實測-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯Excelpoint-ADI電磁流量計模擬前端電路方案實測-技術(shù)方案電磁流量計是20世紀50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)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(lǐng)域得到廣泛應用。持續(xù)的技術(shù)進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NathanXiao借助ADI的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進行了可實現(xiàn)高分辨率、低噪聲的工業(yè)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(jù)法拉第定律，當導電流體流經(jīng)傳感器的磁場時，電極之間就會產(chǎn)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(nèi)徑；E表示電極兩端測得的電壓；k為常數(shù)。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、1/2of50Hz/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(tài)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(shù)百倍到千倍來配合模數(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，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(shù)學計算通道，終的流量信息需要從該曲線中計算得到?？梢钥吹捷^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(shù)據(jù)的提取，這也是電磁流量計設(shè)計的關(guān)鍵所在。

圖2電磁流量傳感器的輸出信號傳統(tǒng)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(jīng)過多階模擬帶通濾波器和采樣保持，終送入ADC進行轉(zhuǎn)換。該方法經(jīng)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(jiān)控除流量外的其他屬性參數(shù)，如空管檢測、液體中氣泡、污物等；另外由于經(jīng)過積分和多級濾波，大大降低了系統(tǒng)的響應速度，在流速快速變化過程中將產(chǎn)生比較大的測量誤差，無法滿足像高速灌裝等對快速、流量監(jiān)控的需求。采用過采樣方法則可大大簡化模擬前端設(shè)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(jīng)過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的過采樣架構(gòu)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為關(guān)鍵的參數(shù)。共模抑制比隨著被測液體在管道中的流動，液體電解質(zhì)與電極摩擦產(chǎn)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(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，通過校準予以消除。與此同時，共模電壓會受到液體質(zhì)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(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1AD8220共模抑制比儀表放大器放大倍數(shù)在流量計應用中多為10倍，對于AD8220B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5AD8220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??；同時輸入偏置電流也應當足夠低，這樣當它流經(jīng)傳感器時，不會成為一個顯著的誤差源。AD8220的輸入偏置電流為10pA，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10GΩ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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)點獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)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(wěn)定狀態(tài)，可供ADC采集流速樣本的時間在勵磁周期的10%期間，這就要求ADC有更高的數(shù)據(jù)采集速率。

圖6流量信號采樣過采樣架構(gòu)一般要求ADC數(shù)據(jù)速率大于20kSPS，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(tài)成為了可能。如傳統(tǒng)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(tài)分析，提高了產(chǎn)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2.5V外部基準電壓源時，AD7172-2的典型噪聲低至0.47μVp-p。這意味著，終流量結(jié)果的刷新速率可以達到50SPS，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(gòu)折合到輸入端噪聲

表4模擬前端和ADC的噪聲預算*數(shù)據(jù)來自一個FIR濾波器周期和瞬時流量計算。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(zhuǎn)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(nèi)層屏蔽也需要接上與信號線同電位、低阻抗源的屏蔽驅(qū)動，保留流量信號的完整性，如下圖中兩個OP07D的示例。為了降低泄漏電流，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(qū)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(xiàn)接口實際測試結(jié)果下圖為采用了AD8220和AD71