簡介

　　從煉油廠到自動(dòng)售貨機(jī)等工業(yè)應(yīng)用要求具有精確的溫度、壓力 和流量測量，以控制復(fù)雜以及簡單過程。例如，在食品行業(yè)，產(chǎn)品裝瓶和裝罐的流量精確控制會(huì)直接影響利潤，因此必須最大程度降低流量測量誤差。類似地，封閉運(yùn)輸應(yīng)用——比如石油工業(yè)中油罐和油罐車之間的原油和成品油交換——需要高精度測量。本文提供流量計(jì)技術(shù)概述，重點(diǎn)討論液體流量測量中精度最高之一的電磁流量計(jì)。

　圖 1. 測量和控制液體流速的基本系統(tǒng)

　　采用多種不同技術(shù)測量流速，包括差壓、科氏力、超聲和電磁等。最常用的是差壓流量計(jì)，但它們對(duì)系統(tǒng)中的壓力變化較為敏感?？剖狭髁坑?jì)具有最高的精度（高達(dá) 0.1%），但它們體積較大且成本高昂。超聲流量計(jì)通常體積較小、成本較低，但精度有限（典型值為 0.5%）。超聲流量計(jì)采用無創(chuàng)測量技術(shù)， 提升可靠性的同時(shí)最大程度減少了隨時(shí)間變化的檢測要素的影響，但無法用于臟水或遭到污染的液體。

　　電磁流量計(jì)也能提供無創(chuàng)檢測。這些設(shè)備可用于酸性、堿性和離子液體——這些液體的電導(dǎo)率范圍為 10 S/m至 10–6S/m，并且可以是干凈、骯臟、腐蝕性、侵蝕性或粘性的液體或漿體，但不適用于碳?xì)浠衔锘驓怏w流量測量。它們能夠針對(duì)直徑小至大約 0.125 英寸、最大容量為 10 立方英尺的低流速和高流速提供相對(duì)較高的系統(tǒng)精度（0.2%），并且哪怕在更低的流速下也能保持讀數(shù)的可重復(fù)性。它們可以測量雙向流量，即上游或下游。表 1 比較了幾種常見的流量計(jì)技術(shù)。?

　　表 1. 工業(yè)流量計(jì)技術(shù)

　　電磁流量計(jì)采用法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律指出，在磁場中移動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。液體可看作導(dǎo)體；磁場由流管外的通電線圈產(chǎn)生。感應(yīng)電壓幅度直接與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和導(dǎo)體類型、流管直徑以及磁場強(qiáng)度成正比，如圖 2 所示。

　　法拉第定律在數(shù)學(xué)上可以表示為：E = kBLV

　　其中，V表示導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)速度；B表示磁場強(qiáng)度；L表示拾取電極之間的間距；E表示電極兩端測得的電壓；k為常數(shù)。B、L和k可以是固定值，也可以進(jìn)行校準(zhǔn)，從而等式簡化為：E ∝ V。

　　圖 2. 電磁流量計(jì)

　　流過勵(lì)磁線圈的電流產(chǎn)生受控磁場。專用勵(lì)磁波形是電磁流量計(jì)的一個(gè)重要方面，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使用多種類型，包括低頻矩形波、電力線頻率正弦波、雙頻波和可編程脈沖寬度。表2 顯示各種傳感器線圈的勵(lì)磁波形。

　　表 2. 傳感器勵(lì)磁類型、波形和特性

　　大部分應(yīng)用采用低頻直流矩形波勵(lì)磁 ?25、 ?16、 ?10、 ?8、 ?4 或?2 電力線頻率（50 Hz/60 Hz）的傳感器線圈。低頻勵(lì)磁具有恒定的幅度和方向交替變化的電流，實(shí)現(xiàn)低頻零漂移性能。電流方向采用晶體管或場效應(yīng)管H電橋進(jìn)行切換。若SW1 和SW4 導(dǎo)通，而SW2 和SW3 關(guān)閉（圖 3a），則傳感器線圈處于正相位勵(lì)磁期間；同時(shí)，恒定電流進(jìn)入EXC+并流出EXC– 。若SW1和SW4 關(guān)閉，而SW2 和SW3 導(dǎo)通（圖 3b），則傳感器線圈處于負(fù)相位勵(lì)磁期間；同時(shí)，恒定電流進(jìn)入EXC–并流出EXC+。

　　圖 3. H 電橋控制傳感器線圈勵(lì)磁相位

　　電磁流量計(jì)的勵(lì)磁電流相比其他流量測量技術(shù)而言非常大，其范圍為 125 mA至 250 mA，覆蓋線路供電式流量計(jì)的主要范圍。高達(dá) 500 mA或 1 A的電流將用于直徑更大的管道。圖 4所示電路可以產(chǎn)生精密 250 mA傳感器線圈勵(lì)磁。8 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源ADR3412 提供實(shí)現(xiàn)電流偏置的 1.2 V設(shè)定點(diǎn)。

　　圖 4. 線性調(diào)節(jié)吸電流

　　雖然這種傳統(tǒng)的電流勵(lì)磁方法采用基準(zhǔn)電壓源、放大器和晶體管電路提供良好的低噪聲性能，但該方法由于經(jīng)過功率晶體管的電流和其兩端的電壓降都很大，因此功率損失極大。該方法需要使用散熱器，從而增加了系統(tǒng)成本和尺寸。具有開關(guān)模式電源的恒流源正成為更流行的傳感器線圈勵(lì)磁方法。圖 5 顯示同步降壓DC-DC調(diào)節(jié)器 ADP2441 配置為恒流源輸出。這項(xiàng)技術(shù)可以消除使用線性電流源的功率損失，并可極大地改善 系統(tǒng)性能。

　　圖 5. 開關(guān)模式恒定電流勵(lì)磁電路

　　功率更高的系統(tǒng)采用電流檢測診斷功能監(jiān)測隨負(fù)載、電源、時(shí)間和溫度變化的電流改變，同時(shí)還能檢測傳感器線圈開路。分流放大器 AD8219 可用來監(jiān)測 80 V共模電壓范圍內(nèi) 60 V/V增益和 0.3%精度的勵(lì)磁電流。隔離式電流放大器采用隔離式Σ-?調(diào)制器 AD7400A 以及軌到軌運(yùn)算放大器AD8646，如圖 6 所示。AD7400 的輸出通過四階低通濾波器處理，以便重構(gòu)檢測輸出。

　　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

　　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(duì)較高的 1.2 V電極電位，并且會(huì)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(huì)像低頻交流信號(hào)那樣緩慢波動(dòng)，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(jí)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(dòng)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(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合而校準(zhǔn)或消除。交流分量會(huì)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(jí)。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

　　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(hào)。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(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，并將緩沖電壓連接至輸入信號(hào)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(jí)的增益通常為 10 至 20，但不會(huì)更高，因?yàn)榈碗娖叫盘?hào)必須經(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(jí)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(jí)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(jí)ADC的輸入動(dòng)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(jí)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(jí)結(jié)合第一級(jí)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(duì)該級(jí)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(hào)通過模擬開關(guān)、保持電容和差動(dòng)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(duì)信號(hào)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(dòng)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(duì)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(dòng)，而低于 2.5 V則表示 反向流動(dòng)。

　　
? ? ? ? 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(huì)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(duì)ADC樣本求平均值。例如，對(duì)于五個(gè)樣本，可以舍棄最大樣本和最小樣本，并對(duì)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(duì)更多樣本求均值，從而抑制噪聲，獲得更佳的精度。

　　Σ-?技術(shù)非常適合用來滿足這些對(duì)ADC的要求，以適當(dāng)?shù)乃俣忍峁┏錾脑肼曅阅?。超低噪聲??型ADC AD7192 適合電磁流量計(jì)使用，該器件在 4800 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下具有 16.5 位無噪聲分辨率額定值。表 5 顯示該器件的有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

　　表 5. AD7192 有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

　　圖 11 顯示ADC子電路，包括解調(diào)器輸出和微功耗、高精度 2.5V基準(zhǔn)電壓源 ADR3425 。

　　圖 11. ADC子電路

　　某些應(yīng)用（比如飲料灌裝）需更高頻率的傳感器勵(lì)磁。150 Hz傳感器線圈勵(lì)磁允許在大約一秒時(shí)間內(nèi)完成灌裝過程。噪聲要求不變，但ADC必須更快。Σ-?型ADCAD7176-2 的建立時(shí)間為 20 μs，250 kSPS時(shí)的無噪聲分辨率為 17 位，50 Hz和 60 Hz信號(hào)音的噪聲抑制性能為 85 dB。

　　
? ? ? ??模擬信號(hào)鏈測試

　　此處所述之構(gòu)建塊用來在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)勵(lì)磁和測試電磁流量傳感器。在真實(shí)的流量系統(tǒng)中還測試了完整的前端，包括高CMRR輸入級(jí)、帶通濾波器和增益級(jí)。兩塊測試板在 1 m/s至 5 m/s范圍內(nèi)達(dá)到±0.2%精度，可重復(fù)性為 0.055%，很好地滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電磁流量計(jì)的信號(hào)鏈如圖 12 所示。

　　圖 12. 電磁流量計(jì)

　　傳感器勵(lì)磁和測量表示整體系統(tǒng)性能，因?yàn)殡姌O產(chǎn)生的mV級(jí)信號(hào)最終轉(zhuǎn)換為流量結(jié)果。流速信號(hào)通過多種協(xié)議傳送至系統(tǒng)控制器，包括RS-485 和 4 mA至 20 mA電流環(huán)路。電流環(huán)路的重要優(yōu)勢是它不受線路壓降的影響，可以實(shí)現(xiàn)長距離通信，并且相比電壓通信更不容易受到噪聲干擾影響。在工廠自動(dòng)化應(yīng) 用中，數(shù)字總線協(xié)議更為常用，使用差分電壓模式信號(hào)通過較短的距離便可提供高速通信。圖 13 顯示 4 mA至 20 mA采樣電路，使用HART ?圖 14 顯示隔離式RS-485 解決方案。

　　圖 13. 集成 HART 的 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路

　　圖 14. 隔離式 RS-485 電路

　　為了保持用戶界面的安全電壓，并防止源信號(hào)產(chǎn)生瞬變，通常在每個(gè)通信通道與系統(tǒng)控制器之間需要進(jìn)行電流隔離。表6 列出的器件針對(duì)這些通信標(biāo)準(zhǔn)可提供最高的集成度。

　　表 6. 用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集的集成電路

? ? ? ??結(jié)論

　　電磁流量計(jì)是目前使用最為廣泛的流量技術(shù)之一。主要用于液 體流量測量，重點(diǎn)是自來水與污水處理系統(tǒng)，在歐洲尤為受歡 迎。其主要的發(fā)展趨勢是減少PCB面積和提升性能。系統(tǒng)性能 取決于模擬輸入模塊，該模塊需要用到高阻抗、低噪聲、高 CMRR輸入放大器和低噪聲、高分辨率Σ-?型ADC。后續(xù)發(fā)展 趨勢表明需要用到速度更快的ADC。AD719x系列ADC滿足當(dāng) 前的系統(tǒng)級(jí)要求，而AD7176 系列能夠很好地滿足未來的要求。 ADI的高效率DC-DC調(diào)節(jié)器、集成式通信、高分辨率ADC、精 密放大器以及高精度基準(zhǔn)電壓源可讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)，并 獲得高于這些要求的性能。