電磁流量計(jì)可在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高精度
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圖 6. 隔離式勵(lì)磁電流監(jiān)控
電極或檢測元件同樣也是重要的考慮因素。兩種主要的測量技術(shù)都是容性的，一種是電極安裝在管道外面；另一種更常見，即電極插入管道中，并由液體沖刷。
傳感器電極有多種不同的材料選項(xiàng)，每一種都有獨(dú)特的屬性，包括溫度漂移、腐蝕率和電極電位。最佳組合是采用低腐蝕率（每年<0.02 英寸）的高溫材>100°C)。表 3 顯示部分具有代表性的傳感器材料，及其標(biāo)準(zhǔn)電位。
表 3. 傳感器材料和電位
| 材料本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201702/338255.htm | 標(biāo)準(zhǔn)電位(V) | 材料 | 標(biāo)準(zhǔn)電位(V) |
| 鎂 | –2.34 | 鎳 | –0.25 |
| 鈹 | –1.70 | 鉛 | –0.126 |
| 鋁 | –1.67 | 銅 | 0.345 |
| 錳 | –1.05 | 銀 | 0.8 |
| 鋅 | –0.762 | 鉑 | 1.2 |
| 鉻 | 0.71 | 金 | 1.42 |
鉑是高質(zhì)量電極材料的一個(gè)極佳示例，它的腐蝕率低于每年0.002 英寸，并且可在高達(dá) 120°C的環(huán)境溫度下工作。然而鉑具有相對較高的 1.2 V電極電位，并且會產(chǎn)生需要在傳感器輸出端進(jìn)行抑制的共模電壓(CMV)。不銹鋼電極的CMV僅為幾百mV，因而可以更為輕松地抑制共模電壓。在非腐蝕性流體 中，不銹鋼材料的使用更為廣泛。
如果兩個(gè)電極采用相同的材料，并且具有相同的表面狀況，那么它們的電位應(yīng)當(dāng)相等。然而，事實(shí)上，極化電位會像低頻交流信號那樣緩慢波動，因?yàn)榱黧w和電極之間存在物理摩擦或電化學(xué)效應(yīng)。任何失配都將表現(xiàn)為差模噪聲。偏置電壓與電極電位共同組成共模電壓，在第一級放大器輸入端產(chǎn)生幾百mV至大約1 V的共模電壓；因此，電子器件必須具有適當(dāng)?shù)墓材Ｒ种颇芰?。圖7顯示差分系統(tǒng)的單電極電位，該系統(tǒng)#316不銹鋼電極的偏置為0.28 VDC，噪聲為0.1 VP-P；電極安裝在直徑為50 mm的水管上。
圖 7. 偏置為 0.28 VDC b、共模噪聲為 0.1 VP-P 系統(tǒng)中的電極電位
典型流速范圍為 0.01 m/s至 15 m/s——即動態(tài)范圍為 1500:1。典型線路供電電磁流量計(jì)的靈敏度為 150 µV/(m/s)至 200 µV/(m/s)。因此，雙向流速為 0.01 m/s時(shí)，150 µV/(m/s)傳感器將提供 3 µVP-P 輸出。對于 2:1 的信噪比而言，折合到輸入端的總噪聲不應(yīng)超過 1.5 µVP-P。在直流到低頻范圍內(nèi)，流速的變化十分緩慢，因此 0.1 Hz至 10 Hz噪聲帶寬非常重要。此外，傳感器輸出電阻可以非常高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具備較低的噪聲、較高的共模抑制能力，以及較低的輸入偏置電流。
傳感器的共模輸出電壓由前端放大器的共模抑制進(jìn)行衰減。若CMR為 120 dB，則 0.28 VDC 偏置被抑制到 0.28 µVDC。該失調(diào) 可以通過對信號進(jìn)行交流耦合而校準(zhǔn)或消除。交流分量會在放 大器輸出端產(chǎn)生噪聲，降低最低可檢測水平。若CMR為 120 dB，則 0.1 VP-P 被抑制到 0.1 µVP-P。
傳感器輸出電阻在幾十Ω至 107 Ω之間變化，具體取決于電極類型和流體導(dǎo)電率。為了最大程度降低損失，前端放大器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于傳感器的輸出電阻。需要用到一個(gè)具有高輸入電阻的JFET或CMOS輸入級。前端放大器的低偏置電流和低失調(diào)電流是最大程度降低電流噪聲和共模電壓的關(guān)鍵參數(shù)。表 4 顯示數(shù)個(gè)推薦前端放大器的規(guī)格。
表 4. 代表性儀表放大器規(guī)格
| 模型 | 增益 | ZIN | CMR(最小值，dB)，直流至 1kHz，G = 10 | 1/f 噪聲 (µVP-P) | IBIAS (pA) | 電源電壓(V) |
| AD620 | 1至 10,000 | 109 Ω || 2 pF | 100 | 0.55 | 500 | ±2.3至 ±18 |
| AD8220 | 1至 1000 | 1013 Ω || 5 pF | 100 | 0.94 | 10 | ±2.25至 ±18 |
| AD8221 | 1至 1000 | 1011 Ω || 2 pF | 110 | 0.5 | 200 | ±2.3至 ±18 |
| AD8228 | 10,100 | 1011 Ω || 2 pF | 100 | 0.5 | 400 | ±2.3至 ±18 |
| AD8421 | 1至 10,000 | 3×1010 Ω || 3 pF | 114 | 0.5 | 100 | ±2.5至 ±18 |
圖 8 顯示采用精密儀表放大器 AD8228 的流量計(jì)。前端放大器抑制共模電壓，同時(shí)放大微弱的傳感器信號。該流量計(jì)合理的布局以及經(jīng)激光調(diào)整的電阻允許其提供有保證的增益誤差、增益漂移和共模抑制規(guī)格。為了最大程度降低泄漏電流，可以通 過對輸入電壓進(jìn)行采樣，并將緩沖電壓連接至輸入信號路徑周圍的未屏蔽走線，從而保護(hù)高阻抗傳感器輸出。
第一級的增益通常為 10 至 20，但不會更高，因?yàn)榈碗娖叫盘柋仨毥?jīng)過放大才能進(jìn)行后期處理，同時(shí)保持較小的直流失調(diào)，避免后級電路飽和。
圖 8. 前端放大器和電磁流量傳感器之間實(shí)現(xiàn)接口
輸入級后接有源帶通濾波器，可用來消除直流分量，并將增益設(shè)為充分利用后級ADC的輸入動態(tài)范圍。傳感器勵(lì)磁頻率范圍為電源線頻率的 1⁄25 至 1⁄2，據(jù)此可設(shè)置帶通截止頻率。圖9 顯示流量計(jì)中使用的帶通濾波器。
圖 9. 輸入放大器后接帶通濾波器
第一級是一個(gè)交流耦合單位增益高通濾波器，截止頻率為 0.16Hz。其傳遞函數(shù)為：
隨后幾級結(jié)合第一級形成完整的帶通濾波器，其低頻截止頻率為 0.37 Hz，高頻截止頻率為 37 Hz，3.6 Hz時(shí)的峰值為 35.5 dB，滾降為–40 dB/十倍頻程，等效噪聲帶寬為 49 Hz。針對該級選擇的放大器一定不能產(chǎn)生額外的系統(tǒng)噪聲。
使用低功耗精密運(yùn)算放大器 AD8622 ——其 1/f噪聲額定值為0.2 µVP-P，寬帶噪聲額定值為 11 nV/√Hz——折合到濾波器輸入端的噪聲為 15 nV rms。當(dāng)折合到放大器輸入端時(shí)，該噪聲變?yōu)?1.5 nV rms，與 0.01 m/s流速下的±1.5 µV P-P 噪聲相比可以忽略不計(jì)。將來自共模電壓、前端放大器和帶通濾波器的噪聲源相加，則折合到AD8228 輸入端的方和根噪聲為 0.09 µV rms，或者約 為 0.6 µV P-P。
濾波器輸出在幅度中包含流速，在相位中包含流向。雙極性信號通過模擬開關(guān)、保持電容和差動放大器進(jìn)行解調(diào)，如圖 10 所示。模擬開關(guān)必須具有較低的導(dǎo)通電阻和中等開關(guān)速度。高壓防閂鎖型四通道單刀單擲(SPST)開關(guān) ADG5412 具有 9.8 Ω RON 典型值和1.2 Ω R ON 平坦度，對信號造成的增益誤差和失真很小。
圖 10. 同步解調(diào)電路
低功耗、低成本、單位增益差動放大器 AD8276 以 5 V滿量程輸入范圍與ADC實(shí)現(xiàn)接口。因此，其REF引腳連接 2.5 V基準(zhǔn)電壓源，并對雙極性輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換處理，將其轉(zhuǎn)換為單極性范圍。高于 2.5 V的輸出表示正向流動，而低于 2.5 V則表示 反向流動。
選擇 ADC
確定系統(tǒng)誤差預(yù)算時(shí)，通常傳感器是主導(dǎo)的因素，并且很多傳感器都會占到總誤差的 80%至 90%。電磁流量計(jì)的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在 25°C和恒定流速的情況下，測量可重復(fù)性不應(yīng)超過系統(tǒng)最大偏差的 1/3。若總誤差預(yù)算為 0.2%，則可重復(fù)性不應(yīng)超過 0.06%。若傳感器占用了系統(tǒng)噪聲預(yù)算的 90%，則變送器電極的最大誤差應(yīng)為 60 ppm.
若要最大程度降低誤差，可以對ADC樣本求平均值。例如，對于五個(gè)樣本，可以舍棄最大樣本和最小樣本，并對余下的三個(gè)樣本求均值。ADC在每個(gè)建立的間隔期間都需要獲取五個(gè)樣本，并在勵(lì)磁周期的最后 10%期間獲取。這要求ADC的采樣 速率至少是傳感器勵(lì)磁頻率的 50 倍。為了適應(yīng)最快的 30 Hz勵(lì)磁，最小采樣速率需達(dá)到 1500 Hz。更高的采樣速度允許對更多樣本求均值，從而抑制噪聲，獲得更佳的精度。
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