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ADI電磁流量計模擬前端電路方案實測

2022-09-15
來源:Excelpoint

電磁流量計是20世紀50~60年代隨著電子技術的發(fā)展而興起的新型流量測量儀表,由于其無阻流件等特點,在測量領域得到廣泛應用,。持續(xù)的技術進步要求不斷提高解決方案的集成度,,技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao借助ADI的放大器、模數(shù)轉換器,,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,。根據法拉第定律,,當導電流體流經傳感器的磁場時,電極之間就會產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。

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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,、1/2 of 50Hz/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,,最終的流量信息需要從該曲線中計算得到,。可以看到較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)據的提取,,這也是電磁流量計設計的關鍵所在。

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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,,后級電路經過多階模擬帶通濾波器和采樣保持,最終送入ADC進行轉換,。該方法經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生比較大的測量誤差,,無法滿足像高速灌裝等對快速、精確流量監(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,在經過軟件處理后將提供更多的流量屬性參數(shù),。

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圖3 采用AD8220和AD717x的過采樣架構模擬前端

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最為關鍵的參數(shù)。

共模抑制比

隨著被測液體在管道中的流動,,液體電解質與電極摩擦產生電勢,,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生的共模電壓的關鍵。

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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范圍內具有出色的共模抑制比,如下表所示,。

表1 AD8220共模抑制比

表1 AD8220共模抑制比.png


儀表放大器放大倍數(shù)在流量計應用中多為10倍,,對于AD8220 B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。

表1 AD8220共模抑制比.png


圖5 AD8220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


表2 共模抑制對實際流速的影響.png

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,這樣當它流經傳感器時,,不會成為一個顯著的誤差源,。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傳感器的應用,。表3列出了不同輸入阻抗對10 GΩ 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

表3 放大器輸入阻抗對流速的影響.png

模數(shù)轉換器選擇

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)據點獲得足夠多的模數(shù)轉換樣本,,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最后10%期間,,這就要求ADC有更高的數(shù)據采集速率。

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圖6 流量信號采樣

過采樣架構一般要求ADC 數(shù)據速率大于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2.5 V外部基準電壓源時,,AD7172-2的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著,,最終流量結果的刷新速率可以達到50 SPS,,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,。

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圖7 采用AD8220和AD7172的過采樣架構折合到輸入端噪聲

表4 模擬前端和ADC的噪聲預算

表4 模擬前端和ADC的噪聲預算.png


*數(shù)據來自一個FIR濾波器周期和一次瞬時流量計算,。

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,內層屏蔽也需要接上與信號線同電位,、低阻抗源的屏蔽驅動,,最大程度保留流量信號的完整性,如下圖中兩個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路徑周圍的未屏蔽走線區(qū)域,,從而保護傳感器輸出信號。

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圖8 前端放大器和電磁流量傳感器之間實現(xiàn)接口

實際測試結果

下圖為采用了AD8220和AD7172的模擬前端電路,,經過采樣處理后在DN100管線上實際標定的最終結果,,性能優(yōu)于國標0.2級指標。

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圖9-10 實際測試結果

ADI電磁流量計模擬前端電路方案可以滿足較領先高端流量計的要求,,在測量響應速度上具有明顯優(yōu)勢,,能節(jié)省成本、優(yōu)化功耗和面積,,Excelpoint世健可以提供相關技術指導和支持,。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商,為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM),、原設計生產商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質的元器件,、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作,,為新的科技與趨勢作出定位,,并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心,,專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,,幫助客戶提高成本效益并縮短產品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領域,。

世健是新加坡的主板上市公司,總部設于新加坡,,擁有約650名員工,業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū),,遍及新加坡,、馬來西亞、泰國,、越南,、中國、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過11億美元,。1993年,,世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,正式開始發(fā)展中國業(yè)務,。目前,,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊,、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經驗,世健在中國業(yè)內享有領先地位,。

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