摘要:一種電磁流量轉(zhuǎn)換器信號(hào)處理方案使用24比特低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得模擬信號(hào)處理電路被簡化為僅一級(jí)直流耦合儀表放大器。該方法能夠顯著改進(jìn)業(yè)界常用的交流信號(hào)耦合電路難以克服的共模抑制比損失,在具有信號(hào)輸人阻抗的同時(shí)可以保持足夠低的電路噪聲，改善最小流速分辨率。電路能夠接受:傳感器電極之間450mV的直流差模電壓，有極寬的輸人動(dòng)態(tài)范圍和極佳的線性。原理樣機(jī)通過水流標(biāo)定試驗(yàn)在0.5~5 m/s流速范圍內(nèi)達(dá)到±0.2%讀數(shù)正確率。
0引言
電磁流量計(jì)因其口徑范圍寬，量程大，精度高，無壓力損失，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用”。電磁流量計(jì)的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電流體流過傳感器工作磁場(chǎng)時(shí)，在測(cè)量管壁與流動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向相互垂直的一對(duì)電極間，產(chǎn)生與流速成比例的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的大小可表示為E =kBDʋ,式中，E為感應(yīng)信號(hào)電勢(shì); k為常數(shù); B為磁感應(yīng)強(qiáng)度; D為測(cè)量管內(nèi)徑;ʋ為測(cè)量管內(nèi)電極斷面軸線方向平均流速。電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成。電磁流量傳感器的輸出是疊加在共模信號(hào)上的極微弱的有用信號(hào)，通常是微伏到毫伏幅值信號(hào)在幾百毫伏到一、兩伏的共模信號(hào)之上。傳感器內(nèi)阻可能從十幾歐姆到幾十兆歐姆凹。從而要求轉(zhuǎn)換器的信號(hào)處理電路具有高共模抑制比，低噪聲，高輸人阻抗的特性。目前業(yè)界常用工頻偶數(shù)分之-一倍的低頻方波勵(lì)磁的傳感器激勵(lì)方式"，要求電磁流量轉(zhuǎn)換器能夠處理傳感器輸出的脈動(dòng)交流信號(hào)。交流信號(hào)耦合是電磁流量轉(zhuǎn)換器信號(hào)放大電路最常用的信號(hào)耦合方式。
1常見的信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)及其優(yōu)缺點(diǎn)
現(xiàn)代工業(yè)電磁流量計(jì)從20世紀(jì)50年代產(chǎn)品問世以來隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟完善和智能化，智能化的重要標(biāo)志是微處理器的使用。電磁流量傳感器輸出的高內(nèi)阻、高共模且微弱的有用信號(hào)不能被微處理器直接接受,需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器首先對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。直到21世紀(jì)初之前工業(yè)用途的分辨率高、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍是稀少和昂貴的商品，所以傳感器信號(hào)必需被放大數(shù)百至上千倍后再數(shù)字化，從而可以使用成本較低同時(shí)分辨率也較低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。從20世紀(jì)的工業(yè)電磁流量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)化來的、目前仍然很常見的信號(hào)處理電路通常包括前置放大，后級(jí)放大，帶通濾波,采樣保持,模數(shù)轉(zhuǎn)換等。如圖1所示:微伏級(jí)的信號(hào)被前置放大器放大約十倍后交流耦合至后級(jí);接著使用帶通濾波器把信號(hào)進(jìn)一步放大幾十倍近伏級(jí)。被放大近伏級(jí)的信號(hào)經(jīng)過微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成緩慢的直流信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該方法對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求不高，通常14~16比特的分辨率和幾千赫茲的輸出數(shù)據(jù)率即可。它的優(yōu)點(diǎn)是成熟穩(wěn)定和被廣泛驗(yàn)證，缺點(diǎn)是放大電路級(jí)數(shù)較多、增益倍數(shù)較高造成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易振蕩，線性損失，過長的低通濾波時(shí)間常數(shù)會(huì)影響對(duì)流量階躍變化做出迅速響應(yīng)，另外在物料成本、功耗、電路尺寸、可靠性等方面也有劣勢(shì)。
電磁流量傳感器的響應(yīng)通常為150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因?yàn)檎{(diào)制勵(lì)磁電流的換向，傳感器的輸出信號(hào)幅值加倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)響應(yīng)為例，對(duì)0.3~15 m/s流速的量程范圍，傳感器輸出信號(hào)幅值在90 μV峰峰值到4.5 mV峰峰值之間。保證流速信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器正確分辨的最低要求是出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸人端的傳感器信號(hào)幅值不得大于模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲的一半。模數(shù)轉(zhuǎn)換器無噪聲分辨率的計(jì)算公式如式(1)所示。瞬時(shí)流速對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)幅值可被當(dāng)作對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲的最低要求。由表1可見前級(jí)放大電路增益越低對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無噪聲分辨率指標(biāo)的要求越高。這是20世紀(jì)后期數(shù)十年里在缺少成本可負(fù)擔(dān)、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的條件下，工業(yè)電磁流量計(jì)普遍使用幾百至，上千倍增益的多級(jí)放大電路的重要原因。
電子進(jìn)步使得在本世紀(jì)初開始出現(xiàn)越來越多性價(jià)比更好的低噪聲24比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。隨之出現(xiàn)的數(shù)字過采樣交流信號(hào)耦合放大是一種改進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示傳感器電極輸出信號(hào)使用電容耦合，在前置放大級(jí)采用自舉電路提高輸人阻抗，真差分輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。省略模擬帶通放大、采樣保持等電路。較高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)前置放大器的輸出做過采樣。微處理器在數(shù)字域內(nèi)重建流速信號(hào)波形、同步解調(diào)交流信號(hào)、濾除尖峰和噪聲，計(jì)算流速信號(hào)。該電路與前一-種電路相比的優(yōu)點(diǎn)是:更少的元件，更低的價(jià)格，真差分信號(hào)的抗干擾，接受較寬的輸人共模電壓范圍。
電磁流量計(jì)的信號(hào)放大電路需要很高輸人阻抗以防止傳感器輸出過載帶來的信號(hào)幅度減小從而導(dǎo)致測(cè)量精度和重復(fù)性的損失。如圖3所示電磁流量計(jì)常用自舉放大器在信號(hào)輸人端串聯(lián)耦合電容同時(shí)又具有高的輸人阻抗巴。圖3的放大電路的輸入阻抗Rn可用式(2)計(jì)算門。放大電路的輸人阻抗與外部電阻、電容的數(shù)值和勵(lì)磁頻率高低有關(guān)甲。以最常用的1/8工頻勵(lì)磁為例如表2所示，需要使用十兆歐姆電阻才能達(dá)到上千兆的輸人阻抗。
但是自舉放大器輸人級(jí)結(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn):交流耦合電容容值必需選擇至少在微法以上,容值且匹配的電容網(wǎng)絡(luò)稀少而貴。公差通常是10%~20%很難達(dá)到1%的微法級(jí)的分立電容器件會(huì)顯著降低電路的共模抑制比和引入交流信號(hào)的相位偏差。為達(dá)到109Ω直流輸人阻抗,自舉放大器電路需要用到10MΩ級(jí)的外部電阻。這些電阻的不匹配會(huì)帶來共模抑制比的顯著下降,比如0.1%電阻公差能達(dá)到66分貝共模抑制比，1%電阻公差只能達(dá)到34分貝共模抑制比。電磁流量計(jì)放大電路要求大于100分貝的共模抑制比需要四個(gè)采用厚/薄膜技術(shù)具有0.01%或更佳的絕對(duì)值及溫度系數(shù)匹配的單襯底高阻值電阻網(wǎng)絡(luò)4價(jià)格十分昂貴且難得。
2本文設(shè)計(jì)的直流信 號(hào)放大電路
本文電磁流量轉(zhuǎn)換器信號(hào)處理電路如圖4所示。電磁流量傳感器的一對(duì)電極輸出經(jīng)過射頻濾波阻容網(wǎng)絡(luò)直流耦合至±5V供電的AD8220結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入儀表放大器輸入端。AD8220的增益設(shè)置為5倍,參考電平管腳連接到AD7172-2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出,把儀放輸出信號(hào)的電平抬高至正極性。被AD8220調(diào)理后的傳感器信號(hào)直流耦合至+5 V供電的AD7172-2第0號(hào)輸人通道，AD7172-2的2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出接第1號(hào)輸人通道,兩個(gè)通道組成0~5 V偽差分輸人。AD7172-2 的輸出數(shù)據(jù)率設(shè)為31 250 Hz ,數(shù)字量化后的樣點(diǎn)送入ADSP-BF504F數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行同步解調(diào)數(shù)字濾波和流量計(jì)算、線性化補(bǔ)償、電流或脈沖輸出等處理。該方案試圖吸取數(shù)字過采樣交流信號(hào)耦合的電磁流量計(jì)信號(hào)放大電路優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)避免其共模抑制比損失的缺點(diǎn)。通過使用比傳統(tǒng)方案低一到二百倍的模擬增益并結(jié)合軟件的方法解決直流耦合帶來的信號(hào)飽和問題。因?yàn)榉糯笃髟鲆嬷挥?倍, ±5 V供電的AD8220的軌到軌電壓輸出范圍的上限是4.8V,單5V供電且集成真軌到軌輸人緩沖器的AD7172-2的輸人電壓范圍是0~5 V。所以放大器輸人動(dòng)態(tài)范圍等于(4.8-2.5) +5=0.46(V),折合150 μV/(m/s)響應(yīng)的傳感器在3 067 m/s流速的輸出(這僅是理論值,實(shí)際流速不可能這么高)。這表明該電路設(shè)計(jì)能夠處理極寬廣的流速范圍。該電路的非線性誤差由儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非線性低指標(biāo)共同決定。AD8220和AD7172-2的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱其非線性誤差典型值分別是5PPM和±2PMM，所以該電路設(shè)計(jì)具有線性佳。
該方案有三個(gè)要點(diǎn)。第一,使用AD7172-2 24比特31250HzΣ-△型高分辨率低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7172-2在輸人緩沖使能,20 Hz輸出數(shù)據(jù)率,5V外部基準(zhǔn)電壓源，片內(nèi)SINC5+SINC1數(shù)字濾波器條件下的噪聲性能是1.8 μV峰峰值，無噪聲分辨率指標(biāo)22.4比特迫。AD7172-2 相比其他性能最接近的同類模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品在功耗和噪聲指標(biāo)上都降低超過百分之五十。本文設(shè)計(jì)中使用AD7172-2內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源,其初始精度±0.12%，溫漂僅±2PPM/C,模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲進(jìn)一步下降為使用外部5伏基準(zhǔn)源時(shí)的一-半即0.9 μV峰峰值。AD7172-2 集成的斬波、真軌到軌緩沖器具有高輸人阻抗，極低失調(diào)誤差漂移和1/F噪聲，使它能夠接人任意的前級(jí)放大器而無需擔(dān)憂其驅(qū)動(dòng)能力。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的超低噪聲使得采用更低的前級(jí)放大器增益成為可能。把放大器增益設(shè)置成5倍,模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲峰峰值折算到放大器輸人端為0.18μV仍顯著小于前級(jí)放大器的1/F噪聲0.94 μV,約等于分辨1.2 mm/s的瞬時(shí)流速。雖然在絕大多數(shù)情況下AD7172-2對(duì)電磁流量計(jì)已經(jīng)足夠好,同系列的AD7175-2在相同配置下可提供低至0.75μV峰峰值噪聲(使用外部5 V基準(zhǔn)電壓源)和最高可達(dá)250 000 Hz的采樣速率。同系列的AD7173-8提供類似的性能和多達(dá)八個(gè)真差分輸入通道可以擴(kuò)展溫度或壓力傳感器測(cè)量。
第二，在電磁流量傳感器輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間總共只用一級(jí)前置放大器,即高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的集成儀表放大器AD8220且放大倍數(shù)設(shè)置為5倍。因?yàn)槭褂闷瑑?nèi)集成的激光微調(diào)技術(shù)的高度匹配電阻，AD8220典型值高達(dá)10分貝衛(wèi)的共模抑制比對(duì)電磁流量傳感器共模信號(hào)有很好的抑制。與自舉故大器不同的是,AD8220采用經(jīng)典的三運(yùn)放拓?fù)浜蛨?chǎng)效應(yīng)管輸人的電流反饋放大器結(jié)構(gòu)具有1013?Ω輸人阻抗和10-12?A輸人漏電流凹! ,完全可以滿足包括高內(nèi)阻的電容電極類型在內(nèi)的絕大部分電磁流量傳感器。由于勵(lì)磁頻率主要是低頻并且流量信號(hào)通常是緩變的,所以信號(hào)處理電路在0- 10 Hz范圍內(nèi)的噪聲是關(guān)鍵參數(shù)。AD8220號(hào)稱沒有0-10Hz1/F電流噪聲凹,折算到其輸人端的1/F電壓噪聲成為主要部分。表3列出AD8220在各種放大倍數(shù)下折算到輸人端的1/F電壓噪聲峰峰值。其中5倍放大的AD8220折算到輸人端的噪聲峰峰值是1.27 μV。通過式(3)可以估算出此時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和儀表放大器折算到輸人端(傳感器的輸出端)的噪聲為1.28μV,從而分辨150 μV/( m/'s)傳感器的8.6 mm/s瞬時(shí)流速或1 mm/s的累積流量。此處估算使用0.1~10Hz的噪聲指標(biāo),但根據(jù)流速緩慢變化的特性其實(shí)可以適用0.1-1 Hz的噪聲指標(biāo)，所以估算值偏保守,實(shí)際測(cè)試結(jié)果應(yīng)該更好�？梢夾D8220的1/F噪聲指標(biāo)是決定該電路測(cè)量流速的最低分辨率的主要因素。相比之下模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲是如此之低,如果不考慮共模輸人范圈、共模抑制比和高輸人阻抗等限制.它甚至可以無需前級(jí)放大器增益而直接分辨?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)。然而不幸的是儀表放大器1/F噪聲隨著放大倍數(shù)減小而迅速增大,所以實(shí)踐中不能把儀表放大器的增益設(shè)置得過低。自舉放大器電路如果要達(dá)到1013Ω輸人阻抗和100分貝共模抑制比需要兩支既昂貴又難得的0.01%匹配1 x 109Ω超電阻。
第三，直流信號(hào)耦合的缺點(diǎn)是沒有區(qū)分的放大包括不需要的直流差模電壓在內(nèi)的任何差模信號(hào)，存在著放大器輸出和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入飽和而不能正常工作的風(fēng)險(xiǎn)。電磁流量傳感器由于極化電壓、電極材料、表面磨損狀況、安裝位置的不理想對(duì)稱等因素，即使在被測(cè)流體靜止的條件;下電極之間很難保證理想等電位，有可能出現(xiàn)幾十毫伏到幾百毫伏不等的差模電壓。作者曾在實(shí)驗(yàn)中遇到兩個(gè)電極間出現(xiàn)約300mV的直流差模電壓的狀況，如果AD8220儀表放大器增益設(shè)為10倍，則輸人信號(hào)被放大和電平搬移2.5 V后AD8220的理論輸出值為5.5 V,但是AD8220的供電電壓為±5V,則造成它的輸出信號(hào)飽和。即使提高放大器的供電電壓可以避免其輸出飽和，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的0~5 V輸人范圍也會(huì)被飽和。本文設(shè)計(jì)中把儀表放大器的增益降低至5倍，則此信號(hào)被AD8220放大和平移后出現(xiàn)在其輸出端為4 V仍在AD8220±4.8 V的輸出范圍和AD7172-2 的0~5 V輸人范圍內(nèi)，所以電路可以正常工作。考慮0~15 m/s的流速信號(hào)的幅值該電路能夠處理的電極間差模電壓可以達(dá)到(4.8 V-15 m/s x0.00015 V/(m/s))÷5=0.457 V。電極間差模電壓造成的零點(diǎn)偏移可以通過周期性的軟件計(jì)算被扣除。進(jìn)一步減小儀表放大器的增益可擴(kuò)大電路處理電極差模電壓的范圍但代價(jià)是儀表放大器噪聲迅速增大。該電路噪聲性能的瓶頸在于儀表放大器而非模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在滿足最低分辨率的前提條件下對(duì)本文設(shè)計(jì)的直流信號(hào)耦合而言前級(jí)放大器增益越低越好。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)條件:傳感器50mm口徑，電極材料316L不銹鋼，傳感器系數(shù)1.1089,常溫常壓水，電子秤稱重法。進(jìn)行系統(tǒng)零點(diǎn)和滿量程校正，未做逐點(diǎn)非線性校正。表4說明本文的方案在0.5 ~5m/s的流速范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果達(dá)到±0.2%的示數(shù)誤差，重復(fù)性優(yōu)于萬分之四。
4結(jié)束語
本文介紹了一種用于電磁流量計(jì)的數(shù)字過采樣直流耦合的信號(hào)處理電路，配合最新24比特低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠克服傳統(tǒng)的交流信號(hào)耦合方式的共模抑制比欠佳的不足，具有高輸入阻抗、低噪聲、寬輸人動(dòng)態(tài)范圍、線性好等優(yōu)點(diǎn)，直流信號(hào)耦合帶來的信號(hào)飽和問題也得到了較好的解決。該方案使用50mm口徑電磁流量傳感器通過水流標(biāo)定試驗(yàn)在0.5 ~5 m/s的流速范圍內(nèi)基本誤差達(dá)到±0.2%讀數(shù)，性能好、設(shè)計(jì)簡潔，值得廣大電磁流量計(jì)用戶做進(jìn)一步評(píng)估。
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