摘要:一種電磁(cí)流量轉換器 信(xìn)号處理方案使(shǐ)用24比特低噪聲(shēng)模數轉換器，使(shǐ)得模拟信号處(chù)理電路被簡化(hua)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(xìn)号耦🌈合電路難(nán)以克服的共模(mó)抑制比損失,在(zai)具有信号輸人(rén)阻抗的同時可(ke)以保持足夠低(di)的電路📱噪聲，改(gai)善最⁉️小流速分(fen)辨率。電路能夠(gòu)接受:傳感器電(diàn)極之間450mV的直流(liu)差模電壓，有極(jí)寬的輸人動态(tài)範圍和極佳的(de)線性🤟。原理樣機(jī)通過水👈流标定(dìng)試驗在0.5~5 m/s流🛀速範(fàn)圍内達到±0.2%讀數(shu)正确率。
0引言
　　電(diàn)磁流量計 因其(qí)口徑範圍寬，量(liàng)程大，精度高，無(wú)壓力損失，可靠(kào)性高等優點，在(zài)工業領域得到(dao)廣泛應用”。電磁(cí)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(guo)傳感器工作磁(cí)場時，在測☀️量管(guǎn)壁🍉與流動方向(xiàng)和磁場方向相(xiàng)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(cháng)數; B爲磁感應強(qiáng)度; D爲測量🏒管内(nei)🍓徑;ʋ爲測量管内(nei)電極斷面軸線(xian)方向平均流速(sù)。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(dian)磁流量傳感器(qi)的輸出是疊加(jiā)在共模信号上(shàng)📧的極微弱的有(yǒu)用👌信号，通常是(shi)微伏到毫伏幅(fu)值信号在幾百(bǎi)毫🧑🏽‍🤝‍🧑🏻伏到一、兩伏(fu)的共模信号之(zhi)上。傳感器内阻(zǔ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼可能從十幾歐(ou)姆到幾十兆歐(ou)姆凹。從而要求(qiú)🏃🏻轉換器的信号(hao)處理電路具有(yǒu)高共模抑⁉️制比(bi)，低噪📱聲，高輸人(rén)阻抗的特性。目(mu)前業界常用工(gong)頻偶數分之-一(yī)倍的低頻方波(bo)💛勵磁的傳感器(qì)激勵方式"，要求(qiú)👄電磁流量轉換(huan)器能夠處理傳(chuán)感器輸出✉️的脈(mo)動交流信号。交(jiao)流信号耦合是(shì)電磁流量轉換(huan)器信号放大電(dian)路最常用的信(xìn)号耦合方式。
1常(chang)見的信号放大(da)電路設計及其(qí)優缺點
　　現代工(gong)業電磁流量計(ji)從20世紀50年代産(chǎn)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(shú)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(shu)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(gong)業用途的分辨(biàn)率高、低噪聲模(mo)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(bei)放大數⭐百至上(shang)千倍後再數字(zì)化，從而可以使(shǐ)用成本較低同(tong)時分辨率也較(jiào)低的模🚶數轉換(huan)器。從20世紀的工(gōng)業電磁流量計(ji)産品進化來的(de)、目☎️前仍然很常(chang)🛀🏻見的信号處理(li)☔電路通常包括(kuo)前置放♊大，後級(ji)放大，帶通濾波(bō),采樣保持,模數(shù)轉換等。如圖✉️1所(suǒ)示:微伏♊級的信(xìn)号被前置放大(dà)器放大約十倍(bei)後交流耦合至(zhi)後級;接着使用(yong)帶通濾波器把(bǎ)信号進一步放(fàng)大幾十倍近伏(fú)級。被放⚽大近伏(fu)㊙️級的信号經🐅過(guò)微處理器控制(zhì)的采樣保持電(dian)路濾除尖峰，變(bian)成緩慢的直流(liu)信号送入模數(shù)轉換器。該方法(fa)對模數✊轉換器(qì)的性能要求不(bu)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(wěn)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(dang)，線性損失，過長(zhǎng)的低通濾波時(shi)間常數會影響(xiǎng)對流量階躍變(bian)化做出迅速響(xiang)應，另外在物料(liao)成本、功耗、電路(lu)尺寸、可靠性等(děng)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(shū)出信号幅值加(jiā)倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)響(xiǎng)📱應爲例，對🍉0.3~15 m/s流速(su)的量☁️程範圍，傳(chuan)感器輸出信号(hao)幅值在90 μV峰峰值(zhi)到4.5 mV峰峰值之間(jian)。保證流速信号(hao)被模數轉換器(qi)正确分辨✨的最(zuì)低要求是出現(xiàn)在模數轉換器(qi)輸人端的傳感(gan)器信🐅号幅值不(bu)得大于模數轉(zhuan)換器噪聲的一(yi)半。模數轉換器(qi)無噪聲分辨率(lǜ)的計算公式如(ru)🔴式(1)所示。瞬時流(liu)速對應的傳感(gan)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(biao)1可見前級💃🏻放大(dà)電路增益越低(dī)⛹🏻‍♀️對模數轉換器(qì)的無🐇噪聲分辨(biàn)率指标的要求(qiú)越高。這是20世紀(jì)後期數十年裏(lǐ)在缺少成本可(ke)負擔、高🏃‍♀️分辨率(lü)的模數轉換器(qi)的條件下， 工業(ye)電磁流量計 普(pu)遍使用幾百至(zhì)，上千倍增益的(de)多級放大電路(lù)的☔重🧑🏾‍🤝‍🧑🏼要原因😄。
 
　　電(dian)子進步使得在(zai)本世紀初開始(shǐ)出現越來越多(duō)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(liú)信号耦合放大(dà)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(shi)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(zhēn)差分輸出到模(mo)數轉換器。省略(lue)模拟帶通放🌈大(dà)、采樣保持等電(diàn)路。較高速的模(mo)數轉換器對💔前(qián)置🈲放大器的輸(shu)出做過采樣。微(wēi)處理器在數字(zì)域内重建流速(su)信号波形、同步(bù)解調交流信号(hao)、濾💁除尖峰和噪(zao)聲，計算流速信(xin)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(ren)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(chuan)⚽感器輸出過載(zai)帶來的信号幅(fú)度減小從而導(dǎo)緻測量精度和(hé)重複性的損失(shī)。如圖3所示電磁(ci)流量計常用自(zi)舉放大器在信(xin)号輸人端串聯(lian)耦合電容同時(shi)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(shi)(2)計算門。放大電(diàn)路的輸人阻抗(kàng)與外部電阻🌈、電(dian)容的數值和勵(li)磁頻率高低有(you)關甲💁。以最常用(yòng)的1/8工頻勵磁爲(wei)例如表2所示，需(xū)要使用十兆🔴歐(ōu)姆電阻才能達(dá)到上千兆的輸(shu)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(wǎng)絡稀少而貴🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。公(gōng)差通常是10%~20%很難(nan)達到1%的微法級(jí)的分立電容器(qì)件會顯🥰著降低(dī)電路的共模抑(yi)制比和引入交(jiāo)流信号的相👌位(wèi)偏差。爲達到109Ω直(zhi)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(xie)電阻的不匹配(pèi)會帶來共模抑(yì)制比的顯著下(xia)降,比如💃0.1%電阻公(gōng)差能達到66分貝(bei)共模抑制比，1%電(dian)阻公差隻能達(dá)到34分貝☔共模抑(yi)制比。電磁流量(liàng)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(hòu)/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(dǐ)高阻值電阻網(wǎng)⚽絡4價格十分昂(áng)貴且難得。
 
2本文(wen)設計的直流信(xin) 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(gan)器的一對電極(jí)輸出經過射頻(pin)濾波阻容網絡(luò)直流耦合至🌈±5V供(gong)電的AD8220結型場效(xiào)應管輸入儀🙇‍♀️表(biǎo)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(bu)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(lǐ)後的傳感器信(xìn)号直流耦合至(zhì)+5 V供電的AD7172-2第0号輸(shu)人通道，AD7172-2的2.5V内部(bu)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(shè)爲31 250 Hz ,數字量化後(hou)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的樣點送入ADSP-BF504F數(shù)字信号處理器(qi)進行同步解調(diao)數字濾波和流(liú)量🌈計算、線性化(huà)補償、電流或脈(mo)沖輸出等處理(lǐ)。該方案試圖吸(xi)取數字過采樣(yang)交流信号耦合(hé)的電磁流量計(jì)信号放大電路(lù)優點的同時避(bì)免其共模抑制(zhì)比損失的缺⛹🏻‍♀️點(diǎn)。通過使用比傳(chuán)統方案低一到(dào)二百倍👨‍❤️‍👨的模拟(nǐ)增益并結合⚽軟(ruǎn)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(gui)電壓輸出範圍(wéi)的上限是4.8V,單5V供(gòng)電且集成真軌(gui)到軌輸人緩沖(chòng)器的AD7172-2的輸人電(diàn)壓範圍是0~5 V。所⁉️以(yǐ)放大器輸人動(dong)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(gǎn)器在3 067 m/s流速的輸(shū)出(這僅是理論(lun)值,實際流速❓不(bu)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(yí)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(dian)型值分别是5PPM和(he)±2PMM，所以該電路設(shè)計具有線性佳(jiā)。
 
　　該方案有三個(gè)要點。第一,使用(yong)AD7172-2 24比特31250HzΣ-△型高分辨(biàn)率低噪聲的模(mó)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(qi)條件下的噪聲(sheng)性能是🔞1.8 μV峰峰值(zhí)，無噪聲分辨率(lü)指标22.4比特迫。AD7172-2 相(xiang)比其📧他性能最(zui)接近的同類模(mó)數轉換器産品(pǐn)在功耗和噪聲(sheng)指标上都降低(dī)超過百分之五(wǔ)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(shēng)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(dao)軌💜緩沖器具有(yǒu)高輸人阻抗，極(jí)低失調誤差漂(piao)移和1/F噪聲，使它(ta)能夠接人任意(yì)的前級放大器(qì)🤩而無需擔憂其(qí)驅動能力。模數(shù)轉換器的超低(di)噪聲使得采用(yòng)更低的前級放(fang)🏃🏻大器增益成爲(wei)可能。把放大器(qi)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(ren)端爲0.18μV仍顯著小(xiao)于前級放大器(qì)🏃的1/F噪聲0.94 μV,約等于(yú)分辨1.2 mm/s的瞬時流(liú)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(pèi)🔞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(gāo)可達250 000 Hz的👣采樣速(sù)率。同系列的AD7173-8提(tí)供類似的性能(neng)和多達🔴八個真(zhen)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(dian)磁流量傳感器(qì)輸出到模數轉(zhuǎn)換器之間總共(gòng)💁隻用一級前置(zhì)放大器,即高輸(shū)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(bèi)數設置爲5倍。因(yin)爲使用片内集(jí)成的激光微調(diao)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(dui)🏃🏻‍♂️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(tuo)撲和📱場效✉️應管(guan)輸人的電流反(fǎn)饋放大器結構(gòu)🌏具有1013?Ω輸人阻抗(kang)和12-16?A輸人漏電流(liu)凹! ,完全可以滿(mǎn)足包括高内阻(zǔ)的電容電極類(lèi)型在内的絕大(da)部分電磁流量(liàng)傳感器。由于勵(lì)磁頻率主要😘是(shì)低頻并且流量(liang)信号通常是緩(huǎn)變的,所以信号(hào)處理電路在0- 10 Hz範(fan)圍内的噪聲是(shi)關鍵參數。AD8220号稱(cheng)沒有0-10Hz1/F電流噪聲(sheng)凹,折算到其輸(shū)人端的1/F電壓噪(zào)聲成🚶爲主要部(bù)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(fàng)大的AD8220折算到輸(shu)人端的噪聲峰(fēng)峰值是1.27 μV。通過式(shi)(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(duan)(傳感器的輸出(chu)端)的噪聲爲1.28μV,從(cóng)而分辨150 μV/( m/'s)傳感🈚器(qì)的8.6 mm/s瞬✉️時流速或(huo)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(gēn)據流速緩慢變(bian)化的特性其實(shí)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(liang)流速的最低分(fen)辨率的主要因(yīn)素。相比之下模(mó)數轉✍️換器的噪(zao)🔞聲是如此之低(dī),如果不考慮共(gòng)模輸人範圈、共(gòng)模抑制比和高(gao)輸人阻抗等限(xian)制.它甚至可以(yǐ)無需前級放大(dà)器增🧑🏽‍🤝‍🧑🏻益而直接(jiē)分辨傳感器輸(shū)出信号。然而不(bu)幸的是儀表放(fàng)大器1/F噪聲随着(zhe)放大倍數減小(xiao)而迅速增大,所(suǒ)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(da)器電路如果要(yào)達🙇🏻到1013Ω輸人阻抗(kàng)和100分貝共模抑(yi)制比需要兩支(zhi)既昂🔱貴又難得(de)的0.01%匹👌配1 x 109Ω超電阻(zu)。
 
第三，直流信号(hào)耦合的缺點是(shi)沒有區分的放(fang)大包括不需要(yao)的直流差模電(diàn)壓在内的任何(hé)差模信号，存在(zài)着放大器輸出(chū)和/或模數轉換(huan)器輸入飽和而(ér)不能正常工作(zuò)的風險。電磁流(liú)✍️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(zhi)的不理想對稱(cheng)等因素，即使在(zài)被測流體靜止(zhǐ)的條件;下電極(jí)之間很難保證(zhèng)理想等電位，有(yǒu)可能出現幾十(shí)🈲毫伏到幾百毫(hao)伏不等的差模(mo)電壓。作者曾在(zài)實驗中遇到兩(liǎng)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(zé)輸人信号被放(fang)大和電平搬移(yí)2.5 V後AD8220的理論輸出(chu)值爲5.5 V,但是AD8220的供(gong)電電壓爲±5V,則造(zào)成它的輸出信(xin)号飽和☔。即使提(ti)高放大器的供(gong)🏃‍♀️電電壓可以避(bì)免其輸出飽和(he)✌️，模數轉換器的(de)0~5 V輸人範圍也會(huì)被飽和。本文設(shè)計中把儀表放(fàng)💔大器的增益降(jiàng)低至5倍，則㊙️此信(xin)号被AD8220放大和平(píng)⛹🏻‍♀️移後出現在🐇其(qí)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(nèi)，所以❗電路可以(yǐ)正常工作。考慮(lü)0~15 m/s的流速信号的(de)💞幅值該電路能(néng)夠處理❄️的電極(ji)間差模電壓可(kě)以達到(4.8 V-15 m/s x0.00015 V/(m/s))÷5=0.457 V。電極間(jian)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(jí)差模電壓的範(fàn)圍但代價📱是儀(yí)表放大器噪✂️聲(shēng)迅速增大。該電(dian)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(xià)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(yue)好。
3實驗結果
　　試(shì)驗條件:傳感器(qi)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(líng)點和滿量程校(xiào)正🐉，未做逐點非(fei)線性校正。表4說(shuō)明本文的方案(an)在0.5 ~5m/s的😍流速範☂️圍(wéi)内的✊測量結果(guo)達到±0.2%的示數誤(wù)差，重複性優于(yú)萬分之四。
 
 
4結束(shu)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(xin)24比特低噪聲模(mo)數轉換器能夠(gou)克服傳統的交(jiāo)流信号耦合方(fang)式的共模抑制(zhì)比欠佳的不足(zu)，具❓有高輸入阻(zǔ)抗、低噪聲、寬輸(shū)人動态範圍🏃、線(xian)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(biāo)定試驗🐕在0.5 ~5 m/s的流(liú)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(dian)磁流量計用戶(hù)做進一步評估(gū)。

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