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AD模拟前端电路方案的电磁流量计
(2025年3月31日更新)

电磁流量计是20世纪50年代至60年代随着电子技术的发展而兴起的一种新型流量测量仪器。由于其无阻流部件的特点,广泛应用于测量领域。持续的技术进步需要不断提高解决方案的集成术授权代理Excelpoint世健工程师Nathan Xiao借助AD可实现高分辨率、低噪声的工业电磁流量计模拟前端电路的放大器和模数转换器。

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电磁流量计的工作原理

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。根据法拉第定律,当导电流体通过传感器的磁场时,电极与体积流量成正比,其方向垂直于流向和磁场。电势范围可以表示为:E = kBDv

其中,V表示导电流体的运动速度;B表示磁场强度;D 测量管道内径;E表示电极两端测量的电压;k为常数。B、D等式简化为:E ∝ V。

图2 电磁流量传感器的输出信号

传统的处理方法是模拟。前端采用高输入阻抗的前放大器处理泄漏电流,后电路通过多阶模拟过滤器和采样保持,最终送入ADC转换。该方法通过积分。AD中国官网电路和多级滤波器过滤掉高频信号,减少ADC信号分析的难度,但也使大多数传感器信息在现阶段丢失,不能监测空气管道检测、液体气泡、污垢等其他属性参数;此外,由于积分和多级滤波,系统响应速度大大降低,流速变化过程中测量误差较大,不能满足快速、准确的流量监控需求,如高速灌装。

模拟前端设计可以通过采样法大大简化,不再需要模拟带滤波器和采样保持电路。AD8220 AD7172的解决方案,可大大提高流量计的测量响应速度,同时保留更多的传感器信息,在经过软件处理后将提供更多的流量属性参数。

图3 采用AD8220和AD717x过采样架构模拟前端

对模拟前端的具体选择要求进行详细分析。

选择模拟放大器

共模抑制比和输入阻抗将是两个最关键的参数。

共模抑制比

随着被测液体在管道中的流动,液体电解质与电极摩擦产生电位,称为极化。如果两个电极完全一致,电极上的电位相等,则可以相互抵消。然而,在实践中,极化不能完全抵消。电压通常在数百毫伏到2伏之间。前放大器已成为抑制极化产生的共模电压的关键。

图4 前放大器共模抑制

100dB共模抑制比可以是0.3V共模衰减到3μV,放大器输出端出现直流失调,通过校准消除。同时,共模电压也会受到液体质量、温度等因素的影响。因此,共模抑制比越高,校准后影响越小,流量稳定性越好。AD8220放大器在DC到5kHz共模抑制比优异,如下表所示。

表1 AD8220共模抑制比

在流量计的应用中,仪表放大器的放大倍数超过10倍AD8220 B级,直流到60Hz共模抑制比为110dB,5kHz以下为90dB,能很好地将共模电压和噪声抑制到微伏水平。

图5 AD8220直流和交流共模抑制效果

表2显示不同CMRR影响传感器输出信号。

表2 共模抑制对实际流速的影响

图8 接口之间的前端放大器和电磁流量传感器

实际测试结果

下图为采用AD8220和AD7172模拟前端电路,采样后DN实际标定在100管道上的最终结果优于国标0.2级指标。

图9-10 实际测试结果

AD模拟前端电路方案的电磁流量计能满足领先高端流量计的要求,在测量响应速度方面具有明显优势,能节约成本,优化功耗和面积,Excelpoint世健可提供相关技术指导和支持。

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