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。

电磁流量计的工作原理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，也可以进行校准，从而等式简化为：E ∝ V。 

传感器线圈励磁频率通常使用1/25、1/16、1/10、1/8、1/4、1/2 of 50Hz/60Hz工频。

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。

以下将详细分析模拟前端的具体选择要求。

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。

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。

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。

   

*数据来自一个FIR滤波器周期和一次瞬时流量计算。

电磁流量传感器输出信号十分微弱，为了防止外界噪声侵入，信号电缆通常采用双芯屏蔽线。在实际使用中，特别是分体式使用中，传感器和转换器相距较远，为防止信号线与屏蔽层的分布电容造成信号衰减，内层屏蔽也需要接上与信号线同电位、低阻抗源的屏蔽驱动，最大程度保留流量信号的完整性，如下图中两个OP07D的示例。 

为了最大程度降低泄漏电流，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。

   

ADI电磁流量计模拟前端电路方案可以满足较领先高端流量计的要求，在测量响应速度上具有明显优势，能节省成本、优化功耗和面积，Excelpoint世健可以提供相关技术指导和支持。