摘要:一種電磁(ci)流量轉換器 信(xin)号處理方案使(shǐ)用24比特低噪聲(shēng)模數轉換器，使(shi)得模拟信号處(chu)理電路被簡化(huà)爲僅一級直流(liu)耦合儀表放大(dà)器👅。該方法能夠(gou)顯⭕著改進業界(jiè)常用的交流信(xin)号耦合電路難(nan)以克服的共模(mo)抑制比損失,在(zai)具有信号輸😘人(rén)阻抗的同時可(kě)以保持足夠😄低(dī)的電路噪聲，改(gai)善最小流速分(fen)辨率。電路能夠(gou)接受:傳感器電(diàn)極之間450mV的直流(liu)差模電壓，有極(ji)寬的輸人動态(tai)範圍和極佳的(de)線性。原理樣機(ji)通過水流标定(ding)試驗在0.5~5 m/s流🔴速範(fan)圍内達到±0.2%讀數(shu)正确率。
0引言
　　電(dian)磁流量計 因其(qi)口徑範圍寬，量(liang)程大，精度高，無(wu)壓力損失，可靠(kào)性高等🏒優點，在(zai)工業領域得到(dào)廣泛應用”。電磁(ci)流量計的工作(zuo)原理是法拉第(di)電磁感應定律(lǜ)。導電流體流過(guò)傳🐆感器工作磁(cí)場時，在測量管(guan)壁與流動方向(xiang)和磁場方向相(xiang)互垂直的一對(dui)電極間，産生與(yu)流速成比例的(de)電動勢。電動勢(shi)的大小可表示(shì)爲E =kBDʋ,式中，E爲♊感應(yīng)信号電📱勢; k爲常(chang)數; B爲磁感應強(qiáng)度; D爲測量管内(nei)徑;ʋ爲測量管内(nèi)電極斷面㊙️軸線(xian)方向平均流速(su)。電磁流量計由(you)電磁流量👅傳感(gan)器和電磁流量(liàng)轉換器組成。電(diàn)磁流量傳感器(qì)的輸出是疊加(jiā)在共模信号上(shang)的極微弱的有(yǒu)用信号，通常是(shì)微伏到毫伏幅(fú)值信号在幾百(bai)毫🐪伏到一、兩伏(fu)📐的共模信号之(zhī)上。傳感器🔞内阻(zu)可能從十幾歐(ou)姆到幾十兆歐(ōu)姆凹。從而要求(qiú)轉換器的信号(hào)處理電路具有(yǒu)高共模抑制比(bǐ)，低噪聲，高輸人(rén)阻抗的特性。目(mù)前業界常用工(gong)頻偶數分之-一(yī)倍的低頻方波(bō)☁️勵磁的傳感器(qì)激勵方式"，要求(qiu)電磁流量轉換(huàn)器能夠處理傳(chuán)感器輸出的脈(mò)動交流信号。交(jiāo)流信号耦合是(shì)電磁流量轉換(huan)器信号放🆚大電(diàn)路最常用的信(xìn)号耦合方式。
1常(cháng)見的信号放大(da)電路設計及其(qí)優缺點
　　現代工(gōng)業電磁流量計(ji)從20世紀50年代産(chan)品問世以來随(sui)着電子技術和(hé)計算機技術的(de)發展逐漸成熟(shu)完🥰善和智能💋化(hua)，智能化的重要(yào)标志是微處理(li)器的使用。電磁(cí)流量傳感器輸(shū)出的高内阻、高(gao)共模且微弱的(de)有用信号不能(neng)被微處理器直(zhi)接接受,需要模(mó)數轉換器首先(xiān)對傳感器輸出(chu)的模拟信号進(jìn)行數字🏃‍♀️化。直到(dao)21世紀✊初之前工(gōng)業用途的分辨(bian)率高、低噪聲🌍模(mó)數轉換器仍是(shì)稀少和昂貴的(de)商品，所以傳感(gan)器信🌈号必需被(bèi)放大數百至上(shàng)千倍後再數字(zi)化，從而💯可以使(shi)用✌️成本較低同(tóng)時分辨率也較(jiao)低的模數轉㊙️換(huan)器。從20世紀的工(gong)業電磁🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流量計(ji)産品進化來的(de)、目前仍然很常(cháng)見的信号處理(lǐ)電路通常包括(kuo)前置放大，後級(jí)放大，帶通濾波(bo),采✉️樣保持💋,模數(shu)轉換等。如圖1所(suo)示:微伏👈級的信(xin)号被前置放大(dà)器放大約十倍(bei)後交流耦合至(zhì)後😘級;接着使用(yòng)帶通濾波器把(ba)信号進一步放(fang)大幾十倍近伏(fu)級。被放大近伏(fu)級的信号經🌐過(guo)微處理器控制(zhì)的采樣保持電(diàn)路濾除♻️尖峰，變(bian)成緩慢的直流(liú)🙇🏻信号送入模數(shu)轉換器。該方法(fǎ)對模數轉換器(qi)的性能要求🔴不(bú)高，通常14~16比特的(de)💃分辨率和幾千(qiān)赫茲的輸出數(shù)據率即可☎️。它的(de)優點是成熟穩(wen)定和被廣泛驗(yan)證，缺點是放大(dà)電路級數較多(duo)、增益倍數較高(gāo)造成電路結構(gou)複雜，容易振蕩(dàng)，線性損失，過❄️長(zhang)的低通濾波時(shí)間常數會影響(xiang)對流量階躍變(biàn)化🏃🏻做出迅速響(xiang)應，另外在物料(liào)成本、功耗、電路(lu)尺寸、可📧靠性等(deng)方面也有劣勢(shì)。
 
　　電磁流量傳感(gan)器的響應通常(chang)爲150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因爲調制(zhì)勵磁電流的換(huàn)向，傳感器的輸(shu)出信号幅值加(jia)倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)響(xiang)應爲例，對0.3~15 m/s流速(sù)的量程範圍，傳(chuan)感器輸出信号(hao)⛹🏻‍♀️幅值在90 μV峰峰值(zhí)到4.5 mV峰峰🌈值之間(jian)。保證流🌐速信号(hao)被模數轉換器(qì)👌正确分辨☔的最(zuì)低要求是出現(xian)在模數轉換器(qi)輸人端的傳感(gǎn)器信号幅值不(bú)得大于模數轉(zhuan)換器噪聲的☔一(yī)半。模數轉換器(qi)無噪聲分辨率(lü)的計🏃🏻‍♂️算公式如(rú)式(1)所示🐆。瞬時流(liú)速對應的傳感(gǎn)器信号幅值可(kě)被當作對模數(shu)轉換器噪聲的(de)最☂️低🔆要求。由表(biǎo)1可見前級放大(dà)電路增☀️益越低(di)對模數轉換器(qì)的無🏃噪聲分辨(bian)率指标的要求(qiú)越高。這是20世紀(jì)後期數十年裏(li)在缺少成本可(kě)負擔、高分辨率(lü)的模數轉換器(qi)的條件下， 工業(yè)電磁流量計 普(pǔ)遍使用幾百至(zhì)，上千倍增益的(de)多級放大電路(lu)的重要原因。
 
　　電(dian)子進步使得在(zài)本世紀初開始(shi)出現越來越多(duo)性價🌈比✍️更好的(de)低噪聲24比特模(mó)數轉換器産品(pǐn)。随之出現的數(shù)字過采樣交流(liu)信号耦合放大(da)是一種改進🐇的(de)電路結構。如圖(tú)2所示傳感器電(diàn)極輸出信号使(shǐ)用💋電容耦合，在(zai)前置放🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大級采(cai)用自舉電路提(tí)高輸人阻抗，真(zhen)差分輸出到模(mó)數轉換器。省略(luè)模拟帶通放🔞大(da)、采樣保持等電(dian)路。較高速的模(mo)數轉換器對前(qián)置放大器的輸(shū)出做過采樣。微(wei)處理器在數字(zi)域内重建流速(sù)信号波形、同✨步(bu)解調交流信号(hao)、濾除尖峰和噪(zao)聲，計算流速信(xìn)号。該電路與前(qián)一-種電路相比(bǐ)的優點是:更少(shao)的元件，更低的(de)價格，真差分信(xìn)号的抗幹擾，接(jie)受較寬的輸人(rén)共🛀🏻模🔞電壓範圍(wei)。
 
　　電磁流量計的(de)信号放大電路(lù)需要很高輸人(rén)阻抗以防止傳(chuán)感器輸出過載(zǎi)帶來的信号幅(fú)度減小從而導(dao)緻測量精度和(hé)重複性的損失(shi)。如圖3所示電磁(ci)流量計🈲常用自(zì)舉放大器在信(xìn)❗号輸人端串聯(lian)耦合電容同時(shí)又具有高的輸(shū)人阻抗巴。圖3的(de)放大電路的輸(shū)入阻抗Rn可用式(shì)(2)計算門。放大電(diàn)路的輸人阻抗(kang)✔️與外部電阻、電(diàn)容的數值和勵(li)磁頻率高低有(yǒu)🐪關甲。以最常用(yong)😄的1/8工頻勵磁爲(wèi)🌈例如表2所示，需(xu)要使用十兆歐(ōu)姆電阻才能達(da)到上千兆的輸(shū)人阻抗。
 
　　但是自(zì)舉放大器輸人(ren)級結構也存在(zài)缺點:交流耦合(hé)電容容值必需(xū)選擇至少在微(wēi)法以上,容值且(qiě)匹配的電容網(wang)絡稀少而貴。公(gong)差通常是10%~20%很難(nan)達到1%的微法級(ji)的分立⛱️電容器(qì)件會顯著降低(dī)⛱️電路的共模抑(yì)制比和引入交(jiao)流信号的相🏃🏻位(wei)偏差。爲達到109Ω直(zhí)流🍉輸人阻抗,自(zì)舉放大器電路(lu)需要用到10MΩ級的(de)外部電阻。這些(xiē)電阻的不匹配(pèi)會帶來共模抑(yì)制比的👌顯著下(xià)降,比如0.1%電阻公(gōng)差能達☀️到66分貝(bei)共模抑制比，1%電(diàn)阻公差隻能達(dá)到34分貝共模抑(yi)制比。電磁流量(liang)計放大🚶‍♀️電路要(yao)求大于100分貝的(de)共模抑制比需(xu)要四個⁉️采用⁉️厚(hou)/薄膜技術具有(yǒu)0.01%或更佳的絕對(dui)值及溫📧度系數(shu)匹配的單襯底(di)高阻值電阻網(wǎng)💞絡4價格十分昂(ang)貴且難🙇‍♀️得。
 
2本文(wén)設計的直流信(xìn) 号放大電路
　　本(běn)文電磁流量轉(zhuan)換器信号處理(lǐ)電路如圖4所示(shi)。電磁流⁉️量傳💃感(gǎn)器的一對電極(jí)輸出經過射頻(pin)濾波阻容網絡(luo)直流耦合至±5V供(gong)電⭕的AD8220結型場效(xiào)應管輸入儀表(biao)放大器輸入端(duān)。AD8220的增益設置爲(wei)5倍,參考電平管(guan)腳連接到AD7172-2模數(shù)轉換器的2.5 V内部(bù)基㊙️準源輸出,把(bǎ)儀放輸出信号(hao)的電平擡高至(zhì)正⛱️極性。被AD8220調理(li)🌈後的傳感器♊信(xin)号直流耦合㊙️至(zhi)+5 V供電的AD7172-2第0号輸(shū)人通道，AD7172-2的2.5V内🌍部(bù)基準源輸出接(jie)第1号♍輸人通道(dào),兩個通道組成(chéng)0~5 V僞差分🤟輸人。AD7172-2 的(de)輸出數據率☔設(she)爲31 250 Hz ,數字量化後(hòu)的樣點送入ADSP-BF504F數(shu)字信号🌈處理器(qi)進行同步解調(diao)數字濾波和流(liu)量計算、線性化(hua)補償、電流或脈(mo)沖輸出等處理(li)。該方案試圖吸(xī)取數字過采樣(yàng)交🔱流信号耦合(he)的電磁流量計(ji)信号放大電路(lu)優點的同時避(bì)免其共模抑制(zhi)比⛱️損失的缺點(diǎn)。通過使用比傳(chuán)統方案低一到(dao)二百倍🌍的模拟(nǐ)增益并結合軟(ruan)件的方法解決(jue)直流耦合帶☀️來(lai)的信号飽和問(wen)題。因爲放大器(qì)增益隻有5倍, ±5 V供(gong)電📞的AD8220的軌到軌(guǐ)🤞電壓輸出範圍(wéi)的上限是4.8V,單👣5V供(gòng)電且集成真軌(guǐ)到軌♈輸人緩沖(chong)器的AD7172-2的輸人電(diàn)壓範圍是0~5 V。所☁️以(yi)放大器輸人動(dòng)态範圍等于(4.8-2.5) +5=0.46(V),折(she)合150 μV/(m/s)響應的傳感(gan)器在3 067 m/s流速的輸(shū)出(這僅是理論(lun)值,實際流速不(bú)可能這🌈麽高)。這(zhè)表明該電路🚩設(she)計能夠處理極(ji)寬廣的流速範(fan)圍。該電路的非(fēi)線性誤差由㊙️儀(yi)表放大器和模(mó)數轉換器的非(fei)線性低指标共(gong)同決定。AD8220和AD7172-2的數(shu)據手冊🏃‍♂️标稱其(qi)非線性誤差典(diǎn)型值分别是5PPM和(hé)👉±2PMM，所以該電路🐉設(she)計具♌有👈線性佳(jia)。
 
　　該方案有三個(ge)要點。第一,使用(yong)AD7172-2 24比特31250HzΣ-△型高分辨(biàn)率低🙇🏻噪聲的模(mo)數轉換器。AD7172-2在輸(shu)人緩沖使能,20 Hz輸(shū)出數據率,5V外部(bu)基準電壓源，片(piàn)内SINC5+SINC1數字濾波器(qì)條件下的噪聲(shēng)性能是♌1.8 μV峰峰值(zhi)，無噪聲分辨率(lǜ)指标22.4比特迫。AD7172-2 相(xiàng)比其他性能最(zui)接近的同類模(mo)數轉換器産品(pin)在功耗和🌈噪聲(shēng)指标上都降低(dī)超過✨百分之五(wu)十。本文設計中(zhong)使用AD7172-2内部2.5 V基🌈準(zhǔn)電壓源,其初始(shǐ)🌐精度±0.12%，溫漂僅±2PPM/C,模(mó)數轉換器噪聲(sheng)進一步下降爲(wei)‼️使用外部🌂5伏基(ji)準源時的一-半(bàn)即0.9 μV峰峰值。AD7172-2 集成(chéng)的斬波、真軌到(dào)軌緩沖器具有(yǒu)高輸人阻抗，極(ji)低失調誤差漂(piāo)移和1/F噪聲，使它(ta)能夠接人任意(yi)的前級放大器(qi)而無需擔憂其(qí)驅動能力。模數(shu)轉換器的超低(dī)噪聲使得采用(yong)更低的前級放(fàng)大器增益成爲(wèi)可能。把放大器(qì)增益設置成5倍(bei),模數轉換器噪(zào)❓聲峰峰值折算(suàn)到放大🛀🏻器輸人(rén)端爲0.18μV仍顯著小(xiǎo)于前級放大器(qi)的1/F噪聲0.94 μV,約等于(yu)分辨1.2 mm/s的瞬時流(liu)速。雖然在絕大(dà)多數情況下AD7172-2對(dui)電磁流量計已(yǐ)經足夠好♈,同系(xi)列🌈的AD7175-2在相同配(pei)置下可提供低(di)至0.75μV峰峰值噪聲(shēng)(使用外部5 V基準(zhun)電壓源)和最高(gao)可達250 000 Hz的♊采樣速(sù)率。同系列的AD7173-8提(ti)供類似的性能(neng)和多達八個真(zhēn)差分輸入通道(dào)可以擴展溫度(du)或壓力傳感器(qì)測量。
第二，在電(diàn)磁流量傳感器(qì)輸出到模數轉(zhuan)換器之間總共(gong)隻用🥵一級前置(zhi)放大器,即高輸(shu)入阻抗、高共模(mo)抑制比、低噪聲(sheng)的集成儀表放(fàng)大器AD8220且放大倍(bei)數設置爲5倍。因(yin)爲使用片内集(jí)成的激光微調(diào)技術的高度匹(pi)配電🈲阻，AD8220典型值(zhí)高達10分貝👈衛的(de)共模抑制比對(duì)電磁流量傳感(gǎn)器共模信号有(yǒu)很好的抑制。與(yǔ)自舉☁️故大器不(bu)同的是,AD8220采用經(jing)典的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻三運放拓(tuò)撲和場效應管(guǎn)輸人的電流反(fǎn)饋放大器結構(gou)具有1013?Ω輸人阻抗(kàng)和❤️12-13?A輸人漏電流(liú)凹! ,完全可以滿(mǎn)足包括高内阻(zu)的電容電極類(lèi)型在内的絕大(dà)部分電磁流量(liang)傳感器。由于勵(lì)磁頻率主要是(shi)低頻❌并且流量(liàng)信号💛通常是緩(huǎn)變的,所以信🚶号(hao)處理電路在0- 10 Hz範(fàn)圍内的噪聲是(shi)關鍵參數🔆。AD8220号稱(cheng)沒有0-10Hz1/F電流噪聲(shēng)凹,折算到其輸(shu)人端的1/F電壓噪(zao)聲成爲主要部(bu)分。表3列出AD8220在各(ge)種放大倍數下(xià)折算到輸人端(duān)的1/F電壓噪聲峰(feng)峰值。其中5倍放(fang)大的⛷️AD8220折算到輸(shu)人端的噪聲峰(fēng)峰值🌈是1.27 μV。通過式(shì)(3)可以估算😍出此(ci)時模數轉換器(qi)和儀表放大器(qì)折算到輸人端(duān)(傳感器的輸出(chū)端)的噪聲爲1.28μV,從(cong)💘而分辨150 μV/( m/'s)傳感器(qì)的8.6 mm/s瞬♍時流速或(huò)1 mm/s的累積流量。此(ci)處估算使🈲用0.1~10Hz的(de)噪聲指标,但根(gen)據流✂️速緩慢變(biàn)化的特性其實(shi)可以适用0.1-1 Hz的噪(zao)聲指标，所以估(gu)算值偏保守,實(shí)際測試結果應(yīng)該更好。可見AD8220的(de)1/F噪聲指标是決(jué)定該電路測量(liàng)流速的最低😘分(fèn)辨率的主要因(yīn)素。相比之下模(mo)數轉換器的噪(zào)🐕聲是💘如此之低(dī),如果不考慮共(gòng)模輸人👣範圈、共(gong)模抑🐇制比和🔞高(gao)🔞輸人阻抗等限(xiàn)制.它甚至可以(yi)無需前級放大(da)器增益而直接(jiē)分辨傳感器輸(shū)出信号。然而不(bú)幸的是儀表放(fàng)大器1/F噪聲随着(zhe)放大倍數減小(xiǎo)而迅🐅速增大,所(suo)以實⚽踐中不能(néng)✔️把儀🈲表放大器(qi)的增益設置得(de)過低。自舉放大(dà)器電路如果要(yao)達到1013Ω輸人阻抗(kàng)🔴和100分貝共模抑(yi)制比需要兩支(zhī)既昂☔貴又難得(de)的0.01%匹🔅配1 x 109Ω超電阻(zǔ)。
 
第三，直流信号(hao)耦合的缺點是(shì)沒有區分的放(fang)大包括🌈不💔需要(yao)的直流差模電(dian)壓在内的任何(he)差模信号👨‍❤️‍👨，存在(zài)着放大器輸出(chu)和/或📱模數轉換(huan)器輸入飽和而(er)不能正常工作(zuo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的風險。電磁流(liu)量傳感器由于(yu)極化👄電壓、電極(ji)材料、表面磨損(sǔn)狀況、安裝位置(zhì)的不理想對稱(cheng)等因素❤️，即使在(zài)被測流體靜止(zhi)的🙇🏻條件;下電極(jí)之間很難保證(zheng)理想等電位，有(you)可能出現幾十(shí)毫伏到幾百毫(háo)伏不等的差模(mo)電壓。作者曾在(zai)實驗中遇♉到♉兩(liang)個電極間出現(xiàn)約300mV的直流差模(mo)電壓😄的狀況，如(ru)果AD8220儀表放大器(qì)增益設爲10倍，則(ze)輸人信号被放(fàng)大和電平搬移(yi)2.5 V後AD8220的理論輸出(chū)值爲5.5 V,但是AD8220的供(gong)🥰電電壓爲±5V,則造(zao)成它的輸出信(xin)号飽和📧。即使提(ti)高放大器的供(gòng)電電壓可以避(bi)免其輸出飽和(he)，模數轉換器的(de)0~5 V輸人範圍也會(hui)被飽和。本文設(she)計中把儀表放(fàng)大器的增✌️益降(jiàng)低至5倍，則此信(xìn)号被AD8220放大和平(ping)🔴移後出現在🧡其(qi)輸出端爲4 V仍在(zài)AD8220±4.8 V的輸出範圍和(he)AD7172-2 的0~5 V輸人範圍内(nei)，所以電路可以(yǐ)正常工作。考慮(lǜ)0~15 m/s的流速信号的(de)🤞幅值該電路能(neng)夠處理♊的電極(jí)間差模電壓可(ke)以達到♉(4.8 V-15 m/s x0.00015 V/(m/s))÷5=0.457 V。電極間(jiān)差模電壓造成(chéng)的零點偏移可(kě)以通過😍周期性(xìng)的軟⭕件計算被(bei)扣除。進一步減(jian)小儀表放大器(qi)的增益可擴大(dà)電路處理電極(ji)差模電壓的範(fan)圍但代價是儀(yí)🔱表放大器噪聲(shēng)迅速增大。該電(diàn)路噪聲性能的(de)瓶頸💞在于儀表(biǎo)放大器而非模(mó)數轉換器。在滿(mǎn)足最低分辨率(lü)♻️的前提條件下(xia)對本文設計的(de)直流信号耦合(hé)‼️而言前級放大(da)器增益越低越(yuè)好。
3實驗結果
　　試(shi)驗條件:傳感器(qì)50mm口徑，電極材料(liào)316L不鏽鋼，傳感器(qì)系數💃🏻1.1089,常溫❓常壓(ya)水，電子秤稱重(zhong)法。進行系統零(ling)點和滿量程校(xiào)正，未做逐點非(fei)線性校正。表4說(shuo)明本文的方🌍案(àn)在0.5 ~5m/s的⛹🏻‍♀️流速範圍(wei)内的測量結果(guǒ)達到±0.2%的示數誤(wu)差，重複性優于(yu)萬分之四。
 
 
4結束(shù)語
　　本文介紹了(le)一種用于電磁(cí)流量計的數字(zì)過采樣✨直🏃‍♂️流耦(ou)♻️合🐇的信号處理(lǐ)電路，配合最新(xīn)24比特低噪聲模(mó)數⛱️轉換器能夠(gòu)克服傳☁️統的交(jiāo)流信号耦合方(fang)式的共模抑制(zhi)比✍️欠佳的不足(zu)，具有高輸入阻(zǔ)抗、低噪聲、寬輸(shu)人㊙️動态範圍🔴、線(xiàn)性好等優點，直(zhi)流信号耦合帶(dài)來的信号飽和(hé)問題也得到了(le)較好的解決。該(gāi)方案使用50mm口徑(jìng)電磁流量傳感(gǎn)器通過水流标(biao)定試驗在0.5 ~5 m/s的流(liu)速範圍内基本(běn)誤差達到±0.2%讀數(shu)，性能好、設計♋簡(jian)潔，值得廣大電(diàn)磁流量計用戶(hu)做進一步評估(gū)。

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