
ADI电磁流量计模拟前端电路方案实测
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,Excelpoint世健的工程师借助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。
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。
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。
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。
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。
表2显示了不同的CMRR对传感器输出信号的影响。
- 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。
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。
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。