图文解说：电磁流量计设计

图文解说：电磁流量计设计

由ADI_Amy于 2016-8-5 创建的讨论

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"若不能度量，则无法管理。"这是工业领域的一句口头禅，尤其适合于流量测量。简单说来，对流量监测的需求越来越多，常常还要求更高速度和精度的监测。前不久ADI举办了在线研讨会“工业过程控制应用的电磁流量计设计”，我们已经分享了完整的讲义文档，需要的戳【在线研讨会讲义PPT下载】工业过程控制应用的电磁流量计设计自取。

这里我们为大家讲解下讲义的部分内容

电磁流量变送器——信号链框图

电磁流量传感器的特性是：无压力损耗，不受速度、密度、温度、压力和传导率的影响，可以实现高精度测量。流量计系统由以下组件组成：电源、信号调理、转换器、处理器、显示键盘和多个通信组件，比如无线，RS485/422，4-20毫安电流，HART。

电磁流量变送器——传感器工作原理

其工作原理基于法拉第电磁感应定律。这意味着带电导体通过一个磁场并切割磁力线时在管道两侧将会产生感应电动势。电磁场是由电流流经测量管外面的线圈产生的。感应电压的幅度直接与速度和导体的电导率、管道直径以及磁场强度的成比例，具体来说，我们可以将法拉第定律表述为E = K x B x D x V，其中V表示导电流体的速度，B表示磁场强度，D表示测量管段的直径，E表示电极上的电压，而K是一个常数。B、D、K可以是固定值，因此方程简化为E与V的比例关系。

大部分电磁流量计使用低频率方波来激励传感器线圈。可以是1/25、1/16，1/10或者1/4 电网频率，以及电网频率的一半。低频方波励磁的幅度不变，但改变电流流入流出线圈的方向。

传感器信号调理——模拟前端共模抑制比

共模电压必须被电磁流量计转换器所抑制，模拟前端电路在其中所起的作用最大。如果电路具有对于120 分贝共模抑制比，则0.28V 共模电压可以降低至0.28 μV，而如果共模抑制比是100 dB，则抑制为2.8 μV。

共模信号中的直流成分可以通过对信号进行交流耦合或者校准得以消除。但是，共模信号中的交流成分即使经过抑制也会呈现为噪声成分，出现在放大器输出端。它无法简单地通过交流耦合消除。必须采取措施，否则可能影响噪声性能。在120 dB共模抑制比的情况下，0.1V噪声下降至0.1μV。在100 dB共模抑制比的情况下，该噪声仅能抑制到最低1μV，因此共模抑制比参数很重要。

电磁流量计——信号处理电路架构比较

虽然具体的实现方式可能有所不同，电磁流量计的传感器信号处理可以分为模拟同步解调和数字过采样两种主要方法。

模拟解调是一种传统的方法，但现今仍然在业内使用广泛。它通常使用前置放大器，带通滤波放大器，采样保持，同步解调，模数转换器和微控制器。

下图显示典型的模拟同步解调电路的信号链。传感器输出的微伏或毫伏级信号首先被集成仪表放大器或者分立器件搭建的仪表放大器放大。

要点是，前置放大器需要可以尽可能多地放大信号，但同时有不能使用过大的放大倍数以至于受到共模影响而输出饱和。第一级的增益通常不大于10倍。交流耦合信号采用带通滤波器来进一步放大信号到伏级。被放大后的信号经过由微处理器控制逻辑时序的采样保持和减法放大器，消除杂散并使之成为直流信号。直流信号进入模数转换器，它通常是16位分辨率，速率为几千赫兹。16比特模数转换器采样这种伏级和直流输入来说足够好。由于硬件电路消除瞬态干扰，完成了信号解调，信号被电路放大的数百倍之多，16位在低采样率ADC通常足够。由于ADC输出数据频率较低，因此微控制器的数据处理需求量也不大。

数字过采样不使用带通滤波放大器、采样保持、差分放大器等中间级电路。在之前的模拟信号处理在数字域内被实现。因为ADC的采样率高，模拟信号被预处理的少，所以数字域中的计算处理量就很大。这种架构需要更强大的微处理器。过采样的方法具有明显的优势：更少的元器件，更低的信号链物料成本，差分模拟信号的鲁棒性，有可能利用的ADC的共模抑制比，更多的数字信号处理的灵活性，可以监视传感器瞬时特性。

传感器信号调理——模拟前端噪声预算

一个典型的电网供电的电磁流量计的灵敏度通常在150μV/（米/秒）到200μV/（米/秒）之间。用175μV/（米/秒）这个中间值为例，由于交替电流方向激励，传感器对0.01米/ s的流速的输出为3.5μVP-P。它需要模拟前端噪声小于1.75μVP-P来分辨。

ADI提供很多优秀低噪声仪表放大器，其中，AD8228折合到输入端噪声为0.5μVP-P，AD8220噪声0.94μVP-P。

对在信号链下游的ADC，建议把折算到放大器输入端的总噪声预算的三分之一分配给ADC。

模拟同步解调前端之前已经放宽对ADC噪声的要求，因为数百倍放大器的增益，通常采用16位ADC就足够。

数字过采样结构对ADC噪声性能有挑战性的要求，因为前置放大器增益通常不超过10倍，ADC必须有超过20+位分辨率的非常低的噪声。若要实时分辨0.005米/秒的流速，ADC必须至少有20.7位无噪声。

Demo测试

电路框图：伏到毫伏传感器输出信号首先由AD8228仪表放大器放大10倍，然后使用由AD8622组成带通滤波器放大50倍信号到伏级电平。经放大的信号通过使用采样和保持，AD8276减法放大器组成的同步解调电路成为直流信号，送到AD7192的Σ-△ADC。数字化的样本被送往从ADI的ARM Cortex-M3微处理器。微处理器还控制传感器线圈的激励，和各种输出信号，包括4-20mA电流，频率脉冲，并报警。隔离与ADuM744x 1千伏iCoupler数字隔离器实现的。

评估结果：

下图显示了采用模拟信号同步解调架构的信号链包括所有的放大器和ADC噪声的噪声性能。电路板被连接到一个电磁流量信号模拟器。测试在每个ADC的输出数据速率各采集4096样本。结果显示±0.2％的典型峰- 峰值分辨率即使在4800 赫兹AD7192最高输出数据速率也能达到。