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摘要：本文介紹了一種新型電磁流量計轉換器方案顯著簡化以模擬信號處理為主的傳統轉換器電路。刪除原有模擬帶通放大和采樣保持電路等，只保留第一級儀表放大器電路。高速24比特∑?模數轉換器對放大器的輸出進行采樣。數字信號處理器在數字域內同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲。磁隔離技術的數字隔離器芯片替代傳統光耦。新方案比傳統方案在電路面積、功耗、物料成本上有明顯改進。原理樣機在標定試驗中達到良好精度。 前言 自從20世紀50年代工業電磁流量計產品問世以來，隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，電磁流量計已經日趨成熟和完善。電磁流量計因其口徑范圍寬、量程大、精度高、無壓力損失、可靠性高等優點，在工業領域得到廣泛應用[1]。電磁流量計由電磁流量傳感器和電磁流量轉換器組成。電磁流量傳感器的輸出信號幅值很微小，通常在微伏到若干毫伏之間。工業電磁流量計的轉換器的模擬信號處理電路通常包括前置放大、后級放大、帶通濾波、采樣保持、模數轉換等。當前常用的低頻矩形波勵磁的傳感器激勵方式，要求電磁流量轉換器能夠把被調制的傳感器輸出解調為直流信號。傳統的轉換器電路結構較復雜，使用的元器件數量較多，占用較多的電路板空間。我們開發了一種新型電磁流量計轉換器方案，顯著簡化了傳統的信號處理電路，刪除了模擬帶通放大、采樣保持電路等。我們的方案只保留第一級儀表放大器電路，采用高速的∑?模數轉換器AD7175-2對儀表放大器的輸出進行采樣，在數字域內重建流速信號波形、同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲，計算得到流速信號。電磁流量傳感器激勵電路又叫做勵磁電路，需要與信號放大調理電路隔離。傳統的轉換器常用光耦隔離和線性穩壓源。我們開發的方案中采用iCoupler數字隔離器ADuM7440和開關模式同步降壓芯片ADP2441、ADR5040基準電壓源，配合集成場效應管H橋芯片組成勵磁電路，顯著減少了電路板占用面積。 1 模擬前端電路方案 電磁流量計的工作原理是法拉第電磁感應定律。根據法拉第電磁感應定律，導電流體流過傳感器工作磁場時，在測量管壁與流動方向和磁場方向相互垂直的一對電極間，產生與體積流量成比例的電動勢。電動勢的大小可表示為E=kBDv。其中E是感應信號電勢，k是常數，B是磁感應強度，D是測量管內徑，v是測量管內電極斷面軸線方向平均流速。電磁流量傳感器的靈敏度通常為150微伏/(米/秒)到200微伏/(米/秒)，因為調制勵磁電流的換向，傳感器的輸出信號幅值加倍[1]。對0.1米/秒到15米/秒流速的量程范圍，傳感器輸出信號幅值在30微伏到4～6毫伏之間。 傳統工業電磁流量計的轉換器的模擬信號處理電路通常包括前置放大、后級放大、帶通濾波、采樣保持、模數轉換等。常規的電磁流量計轉換器電路的信號處理通常如下圖1。微伏到毫伏級的傳感器輸出信號首先被儀表放大器放大。既要盡可能多的放大有用信號，又要避免共模電壓造成放大器輸出飽和，第一級儀表放大器的放大倍數通常設定為不大于10倍。接著使用帶通濾波器把信號進一步放大幾十倍到伏級。放大的信號經過微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成直流信號送入模擬數字轉換器。電磁流量傳感器通常使用低頻矩形波勵磁。信號調理電路與勵磁電路之間通過光耦隔離。總線側的4-20毫安電流輸出、頻率脈沖輸出、報警輸出等也通過光耦隔離。 我們開發了一種新型電磁流量計轉換器方案，顯著簡化了傳統的信號處理電路，刪除了模擬帶通放大、采樣保持電路等。該方案只保留第一級儀表放大器電路，這里采用場效應管輸入級的軌到軌輸出儀表放大器AD8220。它采用緊湊的MSOP封裝，具有100dB共模抑制比、10pA最大輸入偏置電流，噪聲轉折頻率典型值僅為10 Hz。第一級儀表放大器的增益設定為10倍。假設電磁流量傳感器的靈敏度是150微伏/(米/秒)，那么經過AD8220后的0.1米/秒、1米/秒、15米/秒流速的信號幅值就被分別放大為0.3毫伏、3毫伏和45毫伏。 與傳統的電磁流量轉換器電路不同的地方是，我們的方案沒有對第一級儀表放大器輸出信號做進一步的模擬信號調理，而是使用較高速的∑?模數轉換器AD7175-2對儀表放大器的輸出進行直接采樣。AD7175-2是雙通道、24比特、250kSPS采樣率、片內集成軌到軌輸入緩沖器的∑?模數轉換器，支持真差分、偽差分和單端輸入。我們的方案只使用AD7175-2的一個差分輸入通道，并平衡獲取足夠數量的樣點以重建波形和降低電路功耗的需要，其采樣率被設為31.25kSPS。該模數轉換器在31.25kSPS和使用內部Sinc5加Sinc1濾波器條件下，量化峰峰值噪聲是221微伏，折算到10倍增益的第一級放大器輸入端是22微伏。這不僅淹沒了0.1米/秒流速情況下電磁流量傳感器的信號輸出，并且31.25kSPS也遠遠超出流速計算所需求的有效刷新率需求。31.25kSPS的采樣率在一個勵磁周期內(以1/8工頻為例)可以提供多達5000個模數轉換樣點。除去磁場換向產生的瞬態區間，至少還有四千多個樣點供流速計算處理。有這樣多的樣點數量，我們可以使用數字濾波器把模數轉換數據率降低到例如5赫茲，模數轉換器的量化噪聲也就隨之衰減至4.95微伏，折算到10倍增益的第一放大器輸入端僅0.5微伏，折合3毫米/秒的流速分辨率。 模數轉換器得到的信號樣點波形是脈動的，需要在數字域內重建流速信號波形、同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲，計算得到流速信號。我們的方案使用了一片工作在400兆赫茲主頻的ADSP-BF504F數字信號處理器，它屬于Blackfin處理器家族中的BF50x系列，具有4M字節片內閃存、68k字節片內靜態隨機存儲器、8個32比特脈寬調制輸出定時器、2組串行總線接口、2路串行異步收發器，以及35個通用輸入輸出口等適合該方案的資源。圖3解釋了我們的方案如何完成在數字域內的同步解調。ADSP-BF504F輸出一對在邏輯上互補的電磁流量傳感器線圈的驅動控制脈沖信號1和2。在這對信號的控制下，流過電磁流量傳感器線圈的電流實現換向，測量管段內的工作磁場方向和電磁流量傳感器電極輸出的信號也隨之反轉。以第n個周期為例，數字信號處理器把從模數轉換器得到的信號樣點按照線圈驅動控制脈沖的邏輯狀態分組暫存為靜態隨機存儲器里的兩個數組。即正向勵磁半周時采到的樣點按時間排序存為一組，負向勵磁半周時采到的樣點按時間排序存為另一組。去除電流換向的瞬態和信號趨向穩定的少部分波動樣點，余下的樣點分別進入一個有限沖激響應的低通數字濾波器進行濾波。該濾波器的截止頻率設置為20赫茲，可以讓有用的信號通過的同時衰減高頻噪聲和工頻干擾。經過濾波的正向和反向數據樣點進行求平均運算各得到一個正向和反向勵磁半周的信號平均值，然后把這兩個平均值相減得到與流速成比例的信號值。該數值的量綱是LSB/(米/秒)。該數值除以電路硬件的增益、模數轉換器的標尺、電磁流量傳感器的靈敏度即可計算出米/秒流速值。與傳統的以模擬信號處理為主的方案相比，該部分電路面積、功耗降低約一半，電子線路噪聲降低約20%，物料成本減少約30%。 2 勵磁電路方案 電磁流量傳感器激勵電路又叫做勵磁電路，需要與信號放大調理電路隔離。通常等級一千伏的基本隔離就足夠。傳統的電磁流量轉換器常用光耦隔離。我們開發的方案中采用iCoupler磁隔離四通道數字隔離器ADuM7440實現隔離。ADuM7440數字隔離器隔離器結合了高速CMOS和單片空芯變壓器技術，提供四個獨立的隔離通道，采用小型16引腳QSOP封裝，比SOIC寬體封裝節省近70%的電路板空間，比光耦器件封裝尺寸更小，功耗更低，滿足諸如UL和CSA標準等法規需求。ADuM7440的供電電壓范圍在任何一側均為3.0V至5.5V，可提供與低壓系統的兼容，并可實現通過隔離屏障的電平轉換功能。 開關模式同步降壓芯片ADP2441、ADR5040基準電壓源，配合集成場效應管H橋芯片組成勵磁電路。如圖2所示ADP2441 被配置為恒流源輸出模式。ADR5040輸出1.2伏基準電壓，分壓得到150毫伏的參考電壓。該電壓連接到ADP2441的電壓跟蹤管腳，其反饋管腳上的電壓也變成150毫伏。如果在反饋管腳接一0.6歐姆的電流設定電阻，則ADP2441就會調整輸出電流到250毫安。通過改變電流設定電阻值即可改變恒流源電流的大小。更低的參考電壓可以降低在電流設定電阻上的功耗。與傳統變送器常用光耦、線型恒流源、插件封裝的場效應管的方案相比，我們的方案節省約80%以上的電路面積。總線輸出側的4到20毫安電流和頻率脈沖輸出電路的隔離使用了iCoupler系列的ADuM7441和ADuM7240實現一千伏基本隔離。 3 試驗結果 配合25mm和50mm口徑的電磁流量傳感器，常溫水的標定試驗中，使用6.25赫茲勵磁頻率，在0.5米/秒到2米每秒的流速范圍內，本文設計方案基本誤差達到+/-0.2%讀數。測試數據詳見表1和表2。 4 結論 新型電磁流量計轉換器方案顯著簡化了傳統的信號處理電路，改進了勵磁電路，大大減少了電路板面積，降低了功耗和物料成本。原理樣機在實驗室測試中達到了±0.2%讀數測量精度。該方案具有優秀的性能和良好的性價比，值得電磁流量計廠家和用戶做進一步評估和技術開發。 參考文獻： [1] 蔡武昌，馬中原，瞿國芳，等，電磁流量計 [M]。北京：中國石化出版社, 2004：4-8 |
