摘(zhai)要:一種(zhong)電磁流(liu)量轉換(huan)器 信号(hao)處理方(fang)案使用(yong)24比特低(di)噪聲模(mo)數轉換(huan)器，使得(de)模拟信(xin)号處理(li)電路被(bei)簡化爲(wei)僅一級(ji)直流耦(ou)合儀表(biao)放㊙️大器(qi)。該方✊法(fa)能夠顯(xian)著改進(jin)業界常(chang)用的交(jiao)流🔴信号(hao)耦合電(dian)路難以(yi)克服的(de)共模抑(yi)制比損(sun)失,在具(ju)有信号(hao)輸人阻(zu)抗的同(tong)時可以(yi)保持足(zu)夠低的(de)電路🏃‍♀️噪(zao)聲，改善(shan)最小流(liu)速分辨(bian)率。電路(lu)能夠接(jie)受:傳感(gan)器💜電極(ji)之間450mV的(de)🏒直流差(cha)模電壓(ya)，有極寬(kuan)的輸人(ren)動态範(fan)圍和極(ji)佳的線(xian)性。原理(li)樣機通(tong)過水流(liu)标定試(shi)驗在0.5~5 m/s流(liu)速範圍(wei)内達到(dao)±0.2%讀數正(zheng)确率。
0引(yin)言
　　電磁(ci)流量計(ji) 因其口(kou)徑範圍(wei)寬，量程(cheng)大，精度(du)高，無壓(ya)力損失(shi)，可靠性(xing)高等優(you)點，在工(gong)業領域(yu)得到廣(guang)泛應用(yong)”。電磁流(liu)量📱計的(de)工作🙇🏻原(yuan)理是法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律。導(dao)電流體(ti)流過傳(chuan)感器工(gong)作磁場(chang)時，在測(ce)量管壁(bi)與流動(dong)方向和(he)磁場方(fang)向相互(hu)垂🏃‍♀️直的(de)一對電(dian)極間，産(chan)生與流(liu)速成比(bi)例的電(dian)動勢。電(dian)動勢的(de)大小可(ke)表示爲(wei)E =kBDʋ,式中，E爲(wei)感應信(xin)号電勢(shi); k爲常數(shu); B爲磁感(gan)應強度(du); D爲測量(liang)😍管内徑(jing);ʋ爲測量(liang)管内電(dian)極斷面(mian)軸線方(fang)向平均(jun)流速。電(dian)磁流量(liang)計由電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)和電磁(ci)流量轉(zhuan)換器組(zu)成。電磁(ci)流量傳(chuan)感器的(de)輸出是(shi)疊加在(zai)共模信(xin)号上🛀的(de)極微弱(ruo)的有用(yong)信号，通(tong)常是微(wei)伏到毫(hao)伏幅值(zhi)信🍓号在(zai)幾百毫(hao)伏到一(yi)、兩伏的(de)共模信(xin)号之上(shang)。傳感器(qi)👌内阻可(ke)能從十(shi)幾歐姆(mu)到幾十(shi)‼️兆歐姆(mu)凹。從而(er)要求轉(zhuan)換器的(de)信号處(chu)理電路(lu)具有高(gao)🔞共模抑(yi)制比，低(di)噪聲，高(gao)輸人阻(zu)抗的特(te)性。目前(qian)業界常(chang)用工頻(pin)偶數分(fen)之-一倍(bei)的低頻(pin)方波🤞勵(li)磁的傳(chuan)感器激(ji)勵方式(shi)"，要求㊙️電(dian)磁流量(liang)轉換器(qi)能夠處(chu)理傳感(gan)器輸出(chu)的脈動(dong)交流信(xin)号。交流(liu)信号耦(ou)合是電(dian)磁流量(liang)轉換器(qi)信号放(fang)💁大電路(lu)最常用(yong)的信号(hao)耦合方(fang)式。
1常見(jian)的信号(hao)放大電(dian)路設計(ji)及其優(you)缺點
　　現(xian)代工業(ye)電磁流(liu)量計從(cong)20世紀50年(nian)代産品(pin)問世以(yi)來随着(zhe)電🔴子技(ji)術和計(ji)算機技(ji)術的發(fa)展逐漸(jian)成熟完(wan)善和智(zhi)能化，智(zhi)能化的(de)重要标(biao)志是微(wei)處理器(qi)的使用(yong)。電磁流(liu)量傳感(gan)器輸出(chu)的高内(nei)阻、高❤️共(gong)模且微(wei)弱的有(you)用信号(hao)不能被(bei)微處理(li)器直接(jie)接受🏃,需(xu)要模數(shu)轉換器(qi)首先對(dui)傳感器(qi)輸出的(de)模拟信(xin)号進行(hang)數字♉化(hua)。直到21世(shi)紀初之(zhi)前工業(ye)用途的(de)分辨率(lü)高、低噪(zao)聲🏃🏻模數(shu)轉換器(qi)仍是稀(xi)少和昂(ang)貴的商(shang)品，所以(yi)傳感器(qi)信号必(bi)需被放(fang)大數🔱百(bai)至上千(qian)倍後再(zai)♈數字化(hua)，從而可(ke)以使用(yong)成本較(jiao)低同👌時(shi)分辨率(lü)也較低(di)的模☂️數(shu)轉🔆換器(qi)。從20世紀(ji)的工業(ye)電磁流(liu)量計産(chan)品進化(hua)來的、目(mu)❌前仍然(ran)很常見(jian)的信号(hao)處理電(dian)路通常(chang)包括前(qian)置放大(da)，後級放(fang)大，帶通(tong)濾波,采(cai)樣保持(chi),模數轉(zhuan)換等。如(ru)圖1所示(shi):微伏級(ji)的信号(hao)被前置(zhi)放大器(qi)放大約(yue)十倍後(hou)交流耦(ou)合至後(hou)級;接着(zhe)使用帶(dai)通濾波(bo)器把信(xin)号進一(yi)步放大(da)幾十倍(bei)近伏級(ji)。被放大(da)近伏級(ji)的信号(hao)經過微(wei)處理器(qi)控制的(de)采樣保(bao)持電路(lu)濾除尖(jian)峰，變成(cheng)緩慢的(de)直流信(xin)号送入(ru)模數轉(zhuan)換器。該(gai)方法對(dui)模數轉(zhuan)換器的(de)性能要(yao)求🎯不高(gao)，通常14~16比(bi)特的分(fen)辨率和(he)幾千赫(he)茲的輸(shu)出數據(ju)率即可(ke)。它的優(you)點是成(cheng)熟穩❗定(ding)🤩和被廣(guang)泛驗證(zheng)，缺點❗是(shi)放大電(dian)路級數(shu)較多、增(zeng)益倍🍉數(shu)較高造(zao)成電路(lu)結構複(fu)雜，容🏒易(yi)振蕩，線(xian)性損失(shi)，過長的(de)低通濾(lü)波時間(jian)常數👉會(hui)影響對(dui)流量🙇‍♀️階(jie)躍變化(hua)做出迅(xun)速響應(ying)，另外在(zai)物料成(cheng)本、功耗(hao)、電路尺(chi)寸、可❤️靠(kao)性等方(fang)面也有(you)劣勢。
 
　　電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)的響應(ying)通常爲(wei)150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因爲(wei)調制勵(li)磁電流(liu)的換向(xiang)，傳感器(qi)的輸出(chu)信号幅(fu)值加倍(bei)。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰(feng)值)響應(ying)爲例，對(dui)0.3~15 m/s流速㊙️的(de)量程範(fan)圍，傳感(gan)器輸出(chu)信号幅(fu)值在90 μV峰(feng)峰值到(dao)4.5 mV峰峰值(zhi)之間。保(bao)證流速(su)信号被(bei)模數轉(zhuan)換器正(zheng)确分辨(bian)的最低(di)要⭐求是(shi)出現在(zai)模數轉(zhuan)換器輸(shu)人端的(de)傳感器(qi)信号幅(fu)值不得(de)大于模(mo)數轉換(huan)器噪聲(sheng)的一半(ban)。模數轉(zhuan)換器無(wu)噪聲分(fen)辨率✏️的(de)計算公(gong)式如式(shi)(1)所示。瞬(shun)時流速(su)對應的(de)傳感器(qi)信号幅(fu)值可被(bei)當作對(dui)模數轉(zhuan)換器噪(zao)聲的最(zui)👣低要求(qiu)。由表1可(ke)見前級(ji)放大電(dian)路增益(yi)越低對(dui)模數轉(zhuan)換器🍉的(de)無⛹🏻‍♀️噪聲(sheng)分辨率(lü)指标的(de)要求越(yue)高。這是(shi)20世紀後(hou)期數十(shi)年裏在(zai)缺少成(cheng)本可負(fu)擔、高👄分(fen)辨率的(de)模數轉(zhuan)換器的(de)條件下(xia)， 工業電(dian)磁流量(liang)計 普遍(bian)使用幾(ji)百至，上(shang)千倍增(zeng)益的多(duo)級放大(da)電路的(de)🚶重要原(yuan)因。
 
　　電子(zi)進步使(shi)得在本(ben)世紀初(chu)開始出(chu)現越來(lai)越多性(xing)🛀價比更(geng)🥵好的低(di)噪聲24比(bi)特模數(shu)轉換器(qi)産品。随(sui)之出現(xian)的數字(zi)過采樣(yang)交流信(xin)号耦合(he)放大是(shi)一種改(gai)進的電(dian)路結構(gou)。如圖2所(suo)示傳感(gan)器電極(ji)輸出信(xin)号使用(yong)電容耦(ou)合，在前(qian)置放大(da)級采用(yong)自舉電(dian)路🤞提高(gao)輸人👅阻(zu)抗，真差(cha)分輸出(chu)到模數(shu)🤟轉換器(qi)。省略📱模(mo)拟帶通(tong)放大、采(cai)樣保持(chi)等電路(lu)。較高速(su)的模數(shu)轉換器(qi)對前置(zhi)放大器(qi)的輸出(chu)做過采(cai)樣。微處(chu)理器在(zai)數字域(yu)内重建(jian)流速信(xin)号波形(xing)、同😍步解(jie)調交流(liu)信号、濾(lü)除尖峰(feng)和噪聲(sheng)，計算流(liu)速信号(hao)。該電路(lu)與前一(yi)-種電路(lu)相比的(de)優點是(shi):更少的(de)元💃件，更(geng)低的價(jia)格，真差(cha)分信号(hao)的抗🌂幹(gan)擾，接受(shou)較寬的(de)輸人共(gong)模電壓(ya)範圍。
 
　　電(dian)磁流量(liang)計的信(xin)号放大(da)電路需(xu)要很高(gao)輸人阻(zu)抗以🈲防(fang)㊙️止傳感(gan)器輸出(chu)過載帶(dai)來的信(xin)号幅度(du)減小從(cong)而導緻(zhi)測量精(jing)❌度和重(zhong)複性的(de)損失。如(ru)圖3所示(shi)電磁流(liu)量計🙇🏻常(chang)用自舉(ju)放大器(qi)在信号(hao)輸人☔端(duan)串聯耦(ou)合電容(rong)同時又(you)具有高(gao)的輸人(ren)阻🌈抗巴(ba)。圖3的放(fang)大電路(lu)的輸入(ru)阻抗Rn可(ke)用式(2)計(ji)算門。放(fang)大電路(lu)的輸人(ren)阻抗與(yu)外部電(dian)阻、電容(rong)的數值(zhi)和勵磁(ci)頻率高(gao)低有🔴關(guan)甲。以最(zui)常用的(de)1/8工頻勵(li)磁爲例(li)如表2所(suo)示，需要(yao)使用十(shi)🌈兆歐姆(mu)電阻才(cai)能達🌂到(dao)上千兆(zhao)的輸人(ren)阻抗。
 
　　但(dan)是自舉(ju)放大器(qi)輸人級(ji)結構也(ye)存在缺(que)點:交流(liu)耦合🔞電(dian)容容值(zhi)必需選(xuan)擇至少(shao)在微法(fa)以上,容(rong)值且匹(pi)配的電(dian)容網絡(luo)💁稀少而(er)貴🏃🏻‍♂️。公差(cha)通常是(shi)10%~20%很難達(da)到1%的微(wei)法級的(de)分立電(dian)容器件(jian)會顯著(zhe)降低電(dian)路的共(gong)模抑制(zhi)比和引(yin)入交流(liu)信号的(de)相位偏(pian)差。爲達(da)到109Ω直流(liu)🔅輸人阻(zu)抗,自舉(ju)放大器(qi)電路需(xu)要用到(dao)10MΩ級的外(wai)部電阻(zu)。這些電(dian)阻🈚的不(bu)匹配會(hui)帶來共(gong)模抑制(zhi)比的顯(xian)著下降(jiang),比如0.1%電(dian)阻公🥵差(cha)能達💞到(dao)66分貝共(gong)⁉️模抑制(zhi)比，1%電阻(zu)公差隻(zhi)能達到(dao)34分貝共(gong)模抑制(zhi)比。電磁(ci)流量計(ji)放大電(dian)路要求(qiu)大于100分(fen)貝的共(gong)模抑制(zhi)比需要(yao)四個采(cai)用厚/薄(bao)膜技術(shu)具有0.01%或(huo)更佳的(de)絕對值(zhi)及溫度(du)系數匹(pi)配的單(dan)襯底高(gao)阻值電(dian)阻🔞網絡(luo)4價格十(shi)分昂貴(gui)且難🌈得(de)。
 
2本文設(she)計的直(zhi)流信 号(hao)放大電(dian)路
　　本文(wen)電磁流(liu)量轉換(huan)器信号(hao)處理電(dian)路如圖(tu)4所示。電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)的一對(dui)電極輸(shu)出經過(guo)射頻濾(lü)波阻容(rong)網🎯絡直(zhi)💁流耦合(he)至±5V供電(dian)的AD8220結型(xing)場效應(ying)管輸入(ru)儀表放(fang)大器輸(shu)入端。AD8220的(de)增益設(she)置爲5倍(bei),參考電(dian)平管腳(jiao)✨連接到(dao)AD7172-2模數轉(zhuan)換器的(de)2.5 V内部基(ji)準源輸(shu)出🌈,把儀(yi)放輸🈲出(chu)信号的(de)電平擡(tai)高至正(zheng)極性。被(bei)AD8220調理後(hou)的傳感(gan)器♈信号(hao)直流耦(ou)合至+5 V供(gong)電的AD7172-2第(di)0号🙇‍♀️輸人(ren)通道，AD7172-2的(de)2.5V内部基(ji)準源輸(shu)出接第(di)1号📧輸人(ren)通道,兩(liang)個通🏒道(dao)組成0~5 V僞(wei)差分輸(shu)人。AD7172-2 的輸(shu)出數據(ju)率設爲(wei)31 250 Hz ,數字量(liang)化後的(de)樣點送(song)入ADSP-BF504F數字(zi)信号處(chu)理器進(jin)行同步(bu)解調數(shu)字濾波(bo)和流量(liang)計算、線(xian)性化補(bu)償、電流(liu)或脈沖(chong)輸出等(deng)處理。該(gai)方案試(shi)圖吸取(qu)數字過(guo)采樣交(jiao)流信号(hao)耦合的(de)電磁流(liu)量計信(xin)号放大(da)電路優(you)點的🔞同(tong)時避免(mian)其共模(mo)抑制比(bi)損失的(de)缺點。通(tong)過使用(yong)比傳統(tong)方🙇‍♀️案低(di)🥰一到二(er)百倍的(de)模拟增(zeng)益并結(jie)合🌈軟件(jian)的方法(fa)解決直(zhi)流耦合(he)帶來的(de)信号飽(bao)和問題(ti)。因爲放(fang)大器增(zeng)益❓隻有(you)5倍, ±5 V供電(dian)的AD8220的軌(gui)到軌電(dian)壓輸出(chu)範圍的(de)上限是(shi)4.8V,單🛀🏻5V供電(dian)且集成(cheng)真軌到(dao)軌輸人(ren)緩沖器(qi)的AD7172-2的輸(shu)人電壓(ya)範圍是(shi)0~5 V。所㊙️以放(fang)大器輸(shu)人動态(tai)範圍等(deng)于(4.8-2.5) +5=0.46(V),折合(he)🤟150 μV/(m/s)響應的(de)傳😄感器(qi)在3 067 m/s流速(su)的輸出(chu)(這僅是(shi)理論值(zhi),實際流(liu)速不可(ke)能這🏒麽(me)高)。這表(biao)明該電(dian)路設計(ji)能夠處(chu)理極寬(kuan)廣的流(liu)速範圍(wei)。該電路(lu)的非線(xian)性誤差(cha)由儀表(biao)放大器(qi)和模數(shu)轉換器(qi)的非線(xian)性低指(zhi)标共同(tong)決定。AD8220和(he)AD7172-2的💚數據(ju)手冊标(biao)稱其非(fei)線性誤(wu)差典型(xing)值分别(bie)是5PPM和✂️±2PMM，所(suo)以該電(dian)路🌈設計(ji)具💋有♈線(xian)性佳。
 
　　該(gai)方案有(you)三個要(yao)點。第一(yi),使用AD7172-2 24比(bi)特31250HzΣ-△型高(gao)分辨率(lü)低🌈噪聲(sheng)的模數(shu)轉換器(qi)。AD7172-2在輸人(ren)緩沖使(shi)能,20 Hz輸出(chu)數據率(lü),5V外部基(ji)準電壓(ya)源，片内(nei)SINC5+SINC1數字濾(lü)波器條(tiao)件下的(de)噪聲🏒性(xing)能是1.8 μV峰(feng)峰值🆚，無(wu)噪聲分(fen)辨率指(zhi)标22.4比特(te)迫。AD7172-2 相比(bi)其他性(xing)能最接(jie)近的同(tong)👉類模數(shu)轉換器(qi)産品在(zai)功耗和(he)⚽噪聲指(zhi)标上都(dou)降低超(chao)過🏃百分(fen)之五十(shi)。本文設(she)計中使(shi)用AD7172-2内部(bu)2.5 V基🔴準電(dian)壓源,其(qi)初始精(jing)度±0.12%，溫漂(piao)僅±2PPM/C,模數(shu)轉換器(qi)噪聲🌈進(jin)一步🍉下(xia)降爲使(shi)用外部(bu)🈲5伏基準(zhun)源時的(de)一-半即(ji)0.9 μV峰峰值(zhi)。AD7172-2 集成的(de)斬波、真(zhen)軌到軌(gui)🐇緩沖器(qi)具有高(gao)輸人阻(zu)抗，極低(di)失調誤(wu)差漂移(yi)和1/F噪聲(sheng)，使它能(neng)夠接人(ren)任意的(de)前級放(fang)大器而(er)無需擔(dan)憂其驅(qu)動能力(li)。模數轉(zhuan)換器🔞的(de)超低噪(zao)聲使得(de)采用更(geng)低的前(qian)級放大(da)器增益(yi)成爲可(ke)能。把放(fang)大器增(zeng)益設置(zhi)成5倍,模(mo)數轉換(huan)器噪聲(sheng)峰峰值(zhi)折算到(dao)放大器(qi)輸🍉人端(duan)爲0.18μV仍顯(xian)著小于(yu)前級放(fang)♈大器的(de)1/F噪聲0.94 μV,約(yue)等于分(fen)辨1.2 mm/s的瞬(shun)時流🏃🏻速(su)。雖然在(zai)絕大多(duo)數情況(kuang)下AD7172-2對電(dian)磁流量(liang)計已經(jing)足夠好(hao),同系列(lie)的AD7175-2在相(xiang)同配❌置(zhi)下可提(ti)供低至(zhi)0.75μV峰峰值(zhi)噪聲(使(shi)用外部(bu)5 V基準電(dian)壓🐇源)和(he)最高可(ke)達250 000 Hz的采(cai)樣速率(lü)。同系列(lie)的AD7173-8提供(gong)類似的(de)性能和(he)多📐達🥰八(ba)個真差(cha)分🐪輸入(ru)通道可(ke)以擴展(zhan)溫度或(huo)🏃‍♀️壓力傳(chuan)感器👌測(ce)量。
第二(er)，在電磁(ci)流量傳(chuan)感器輸(shu)出到模(mo)數轉換(huan)器之間(jian)總共🈲隻(zhi)用一級(ji)前置放(fang)大器,即(ji)高輸入(ru)阻抗、高(gao)共模抑(yi)制比、低(di)噪聲的(de)集成儀(yi)表放大(da)器AD8220且放(fang)大倍數(shu)設置爲(wei)5倍😘。因爲(wei)使用片(pian)内集成(cheng)的激光(guang)微調技(ji)術的高(gao)度匹配(pei)電阻，AD8220典(dian)型值高(gao)達10分貝(bei)衛的共(gong)模🍓抑制(zhi)比對電(dian)磁流量(liang)傳🧑🏽‍🤝‍🧑🏻感器(qi)共模信(xin)👣号有很(hen)好的抑(yi)制。與自(zi)舉故大(da)器不同(tong)👣的是,AD8220采(cai)用經典(dian)的三運(yun)放拓撲(pu)和場效(xiao)應管輸(shu)人的電(dian)流👣反饋(kui)放大器(qi)結構具(ju)有1013?Ω輸人(ren)阻抗和(he)11-26?A輸人漏(lou)電流凹(ao)! ,完🔞全可(ke)以滿足(zu)包括高(gao)内阻的(de)電容電(dian)極類✊型(xing)在内的(de)絕大部(bu)分電磁(ci)流量傳(chuan)感器。由(you)🤩于勵磁(ci)頻率主(zhu)要是低(di)頻🐅并且(qie)流量信(xin)号通常(chang)是緩🈲變(bian)的,所以(yi)信号處(chu)理電路(lu)在0- 10 Hz範圍(wei)内的噪(zao)聲是關(guan)鍵📱參數(shu)。AD8220号稱沒(mei)有0-10Hz1/F電流(liu)噪聲🥰凹(ao),折算💋到(dao)其輸人(ren)端的1/F電(dian)☀️壓噪聲(sheng)成🚶‍♀️爲主(zhu)要部分(fen)。表3列出(chu)AD8220在各種(zhong)☂️放大倍(bei)數下折(she)算到輸(shu)人端的(de)1/F電壓噪(zao)聲峰峰(feng)值🌐。其中(zhong)5倍放大(da)🔞的㊙️AD8220折算(suan)到輸人(ren)端的噪(zao)👈聲峰峰(feng)值是1.27 μV。通(tong)過🈲式(3)可(ke)以估算(suan)🍉出此時(shi)模數轉(zhuan)換器和(he)儀表放(fang)大器折(she)算🌈到輸(shu)人端💃(傳(chuan)感器的(de)輸出端(duan))的噪聲(sheng)爲1.28μV,從而(er)分辨150 μV/( m/'s)傳(chuan)感器的(de)8.6 mm/s瞬時流(liu)速或1 mm/s的(de)累積流(liu)量。此處(chu)估算使(shi)用0.1~10Hz的噪(zao)聲指标(biao),但根據(ju)流速緩(huan)慢變化(hua)的特性(xing)其實可(ke)以适用(yong)0.1-1 Hz的噪聲(sheng)指标，所(suo)以估算(suan)值偏保(bao)守,實際(ji)測試結(jie)果應🤞該(gai)更好。可(ke)見AD8220的1/F噪(zao)聲指标(biao)是決定(ding)該電路(lu)測量流(liu)⛹🏻‍♀️速的最(zui)✂️低分辨(bian)率的主(zhu)要因素(su)。相比之(zhi)下模數(shu)轉換器(qi)的噪💯聲(sheng)是如此(ci)之低,如(ru)果不考(kao)慮共模(mo)輸人範(fan)圈、共模(mo)抑制比(bi)和高輸(shu)人阻抗(kang)等限制(zhi).它甚至(zhi)可以無(wu)需前級(ji)放大器(qi)增❓益而(er)直接分(fen)辨傳感(gan)器輸出(chu)信号。然(ran)而不幸(xing)的是儀(yi)表放大(da)器🔅1/F噪聲(sheng)随着放(fang)大倍數(shu)減小而(er)迅☂️速增(zeng)大,所以(yi)實踐中(zhong)不能把(ba)儀表放(fang)大器的(de)增益設(she)置得過(guo)低。自舉(ju)放大器(qi)電路如(ru)🐕果要達(da)到1013Ω輸人(ren)阻抗和(he)100分貝共(gong)模抑制(zhi)比需要(yao)兩支既(ji)昂貴又(you)難得的(de)0.01%匹💁配1 x 109Ω超(chao)電阻。
 
第(di)三，直流(liu)信号耦(ou)合的缺(que)點是沒(mei)有區分(fen)的放大(da)包括不(bu)需要的(de)直流差(cha)模電壓(ya)在内的(de)任何差(cha)模信号(hao)，存在着(zhe)放✨大器(qi)輸出和(he)/或🔴模數(shu)轉換器(qi)輸入飽(bao)和而不(bu)能正常(chang)工作的(de)風險。電(dian)磁流量(liang)傳感🔴器(qi)由于極(ji)化😄電壓(ya)、電極材(cai)料、表面(mian)磨損狀(zhuang)況、安裝(zhuang)位置的(de)不理想(xiang)🤟對稱等(deng)因素，即(ji)使在被(bei)測🙇🏻流體(ti)靜止的(de)條件;下(xia)電極⛹🏻‍♀️之(zhi)間很難(nan)保證理(li)想等電(dian)位，有可(ke)能出現(xian)幾十☀️毫(hao)伏到幾(ji)百毫伏(fu)不等的(de)差模📧電(dian)壓。作者(zhe)曾在實(shi)驗中遇(yu)到兩個(ge)電極間(jian)出現🐉約(yue)300mV的直流(liu)差模電(dian)💋壓的狀(zhuang)況，如果(guo)AD8220儀表放(fang)大器增(zeng)益設爲(wei)10倍，則輸(shu)人信号(hao)被放大(da)和♉電平(ping)搬移2.5 V後(hou)AD8220的理論(lun)輸出⁉️值(zhi)爲5.5 V,但是(shi)AD8220的供電(dian)電壓爲(wei)±5V,則造成(cheng)它的輸(shu)出信号(hao)飽和。即(ji)使提高(gao)放大器(qi)的供♌電(dian)電壓可(ke)以避免(mian)其輸出(chu)飽和，模(mo)數轉換(huan)器的0~5 V輸(shu)人範圍(wei)也會♉被(bei)飽和。本(ben)文設計(ji)中把儀(yi)表放⭕大(da)器的增(zeng)益降低(di)至5倍，則(ze)此信号(hao)被AD8220放大(da)和平♌移(yi)後出現(xian)在其✏️輸(shu)出端爲(wei)4 V仍在AD8220±4.8 V的(de)輸♻️出範(fan)圍和AD7172-2 的(de)0~5 V輸人範(fan)圍内，所(suo)以電路(lu)可以正(zheng)常工作(zuo)。考慮0~15 m/s的(de)流速信(xin)号的幅(fu)值該電(dian)路能夠(gou)處理的(de)電極間(jian)差模電(dian)壓可以(yi)達到(4.8 V-15 m/s x0.00015 V/(m/s))÷5=0.457 V。電(dian)極間🐅差(cha)模電壓(ya)造成的(de)零點偏(pian)移可以(yi)通過周(zhou)期性的(de)軟件計(ji)算被扣(kou)除。進一(yi)步減小(xiao)儀表放(fang)大器的(de)增益☂️可(ke)擴大電(dian)路處理(li)電極差(cha)模電壓(ya)的範圍(wei)但代價(jia)㊙️是儀表(biao)放大器(qi)噪聲迅(xun)速增大(da)。該電🏃🏻路(lu)噪聲性(xing)能的瓶(ping)頸在于(yu)儀表放(fang)大器而(er)非模📱數(shu)轉換器(qi)。在滿足(zu)最低分(fen)🐕辨率的(de)前提條(tiao)件下對(dui)本文設(she)計的直(zhi)流信号(hao)耦合而(er)言前👉級(ji)放大器(qi)增益越(yue)低越好(hao)。
3實驗結(jie)果
　　試驗(yan)條件:傳(chuan)感器50mm口(kou)徑，電極(ji)材料316L不(bu)鏽鋼，傳(chuan)感器系(xi)數🔅1.1089,常溫(wen)常壓水(shui)，電子秤(cheng)稱重法(fa)。進行系(xi)統零點(dian)和滿量(liang)程校正(zheng)，未做逐(zhu)點非線(xian)性校正(zheng)。表4說明(ming)本文的(de)方案在(zai)0.5 ~5m/s的流速(su)範💃🏻圍内(nei)的測量(liang)結果達(da)到🙇‍♀️±0.2%的示(shi)數誤差(cha)，重複性(xing)優于萬(wan)分之四(si)。
 
 
4結束語(yu)
　　本文介(jie)紹了一(yi)種用于(yu)電磁流(liu)量計的(de)數字過(guo)采樣直(zhi)🏃‍♀️流🔴耦合(he)的信号(hao)處理電(dian)路，配合(he)最新24比(bi)特低噪(zao)聲模數(shu)👣轉換器(qi)能夠克(ke)服傳統(tong)的交流(liu)信号耦(ou)合方式(shi)的共模(mo)抑制比(bi)欠佳的(de)不足，具(ju)有高輸(shu)入阻抗(kang)、低噪聲(sheng)、寬輸人(ren)動态範(fan)圍🌈、線性(xing)好等優(you)點，直流(liu)信号耦(ou)合帶來(lai)的信号(hao)🚩飽和問(wen)題也得(de)到了較(jiao)好的解(jie)決。該方(fang)案使用(yong)50mm口徑電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)通過水(shui)流标定(ding)試驗在(zai)0.5 ~5 m/s的流速(su)範圍内(nei)👌基本誤(wu)差達到(dao)±0.2%讀數，性(xing)能好、設(she)計簡潔(jie)，值得廣(guang)大電磁(ci)💋流量計(ji)用戶做(zuo)進一步(bu)評估。

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