本文介绍了一种新式电磁流量计转化器计划显着简化以模仿信号处理为主的传统转化器电路。删去原有模仿带通扩大和采样坚持电路等，只保存榜首级外表扩大器电路。高速24比特∑？模数转化器对扩大器的输出进行采样。数字信号处理器在数字域内同步解调沟通信号、滤除尖峰和噪声。磁阻隔技能的数字阻隔器芯片代替传统光耦。新计划比传统计划在电路面积、功耗、物料本钱上有显着改善。原理样机在标定实验中到达杰出精度。
前语
自从20世纪50年代工业电磁流量计产品面世以来，跟着电子技能和核算机技能的飞速发展，电磁流量计现已日趋老练和完善。电磁流量计因其口径规模宽、量程大、精度高、无压力丢失、可靠性高级长处，在工业范畴得到广泛应用［1］。电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转化器组成。电磁流量传感器的输出信号幅值很细小，一般在微伏到若干毫伏之间。工业电磁流量计的转化器的模仿信号处理电路一般包含前置扩大、后级扩大、带通滤波、采样坚持、模数转化等。当时常用的低频矩形波励磁的传感器鼓励方法，要求电磁流量转化器能够把被调制的传感器输出解调为直流信号。传统的转化器电路结构较杂乱，运用的元器材数量较多，占用较多的电路板空间。咱们开发了一种新式电磁流量计转化器计划，显着简化了传统的信号处理电路，删去了模仿带通扩大、采样坚持电路等。咱们的计划只保存榜首级外表扩大器电路，选用高速的∑？模数转化器AD7175-2对外表扩大器的输出进行采样，在数字域内重建流速信号波形、同步解调沟通信号、滤除尖峰和噪声，核算得到流速信号。电磁流量传感器鼓励电路又叫做励磁电路，需求与信号扩大调度电路阻隔。传统的转化器常用光耦阻隔和线性稳压源。咱们开发的计划中选用iCoupler数字阻隔器ADuM7440和开关形式同步降压芯片ADP2441、ADR5040基准电压源，合作集成场效应管H桥芯片组成励磁电路，显着削减了电路板占用面积。
1 模仿前端电路计划
电磁流量计的作业原理是法拉第电磁感应规律。依据法拉第电磁感应规律，导电流体流过传感器作业磁场时，在丈量管壁与活动方向和磁场方向彼此笔直的一对电极间，发生与体积流量成份额的电动势。电动势的巨细可表示为E=kBDv。其间E是感应信号电势，k是常数，B是磁感应强度，D是丈量管内径，v是丈量管内电极断面轴线方向均匀流速。电磁流量传感器的灵敏度一般为150微伏/（米/秒）到200微伏/（米/秒），由于调制励磁电流的换向，传感器的输出信号幅值加倍［1］。对0.1米/秒到15米/秒流速的量程规模，传感器输出信号幅值在30微伏到4～6毫伏之间。
传统工业电磁流量计的转化器的模仿信号处理电路一般包含前置扩大、后级扩大、带通滤波、采样坚持、模数转化等。惯例的电磁流量计转化器电路的信号处理一般如下图1。微伏到毫伏级的传感器输出信号首要被外表扩大器扩大。既要尽可能多的扩大有用信号，又要防止共模电压形成扩大器输出饱满，榜首级外表扩大器的扩大倍数一般设定为不大于10倍。接着运用带通滤波器把信号进一步扩大几十倍到伏级。扩大的信号经过微处理器操控的采样坚持电路滤除尖峰，变成直流信号送入模仿数字转化器。电磁流量传感器一般运用低频矩形波励磁。信号调度电路与励磁电路之间经过光耦阻隔。总线侧的4-20毫安电流输出、频率脉冲输出、报警输出等也经过光耦阻隔。
咱们开发了一种新式电磁流量计转化器计划，显着简化了传统的信号处理电路，删去了模仿带通扩大、采样坚持电路等。该计划只保存榜首级外表扩大器电路，这儿选用场效应管输入级的轨到轨输出外表扩大器AD8220。它选用紧凑的MSOP封装，具有100dB共模抑制比、10pA最大输入偏置电流，噪声转机频率典型值仅为10 Hz。榜首级外表扩大器的增益设定为10倍。假定电磁流量传感器的灵敏度是150微伏/（米/秒），那么经过AD8220后的0.1米/秒、1米/秒、15米/秒流速的信号幅值就被别离扩大为0.3毫伏、3毫伏和45毫伏。
与传统的电磁流量转化器电路不同的当地是，咱们的计划没有对榜首级外表扩大器输出信号做进一步的模仿信号调度，而是运用较高速的∑？模数转化器AD7175-2对外表扩大器的输出进行直接采样。AD7175-2是双通道、24比特、250kSPS采样率、片内集成轨到轨输入缓冲器的∑？模数转化器，支撑真差分、伪差分和单端输入。咱们的计划只运用AD7175-2的一个差分输入通道，并平衡获取满意数量的样点以重建波形和下降电路功耗的需求，其采样率被设为31.25kSPS。该模数转化器在31.25kSPS和运用内部Sinc5加Sinc1滤波器条件下，量化峰峰值噪声是221微伏，折算到10倍增益的榜首级扩大器输入端是22微伏。这不只淹没了0.1米/秒流速情况下电磁流量传感器的信号输出，而且31.25kSPS也远远超出流速核算所需求的有用刷新率需求。31.25kSPS的采样率在一个励磁周期内（以1/8工频为例）能够供给多达5000个模数转化样点。除掉磁场换向发生的瞬态区间，至少还有四千多个样点供流速核算处理。有这样多的样点数量，咱们能够运用数字滤波器把模数转化数据率下降到例如5赫兹，模数转化器的量化噪声也就随之衰减至4.95微伏，折算到10倍增益的榜首扩大器输入端仅0.5微伏，折合3毫米/秒的流速分辨率。
模数转化器得到的信号样点波形是脉动的，需求在数字域内重建流速信号波形、同步解调沟通信号、滤除尖峰和噪声，核算得到流速信号。咱们的计划运用了一片作业在400兆赫兹主频的ADSP-BF504F数字信号处理器，它归于Blackfin处理器宗族中的BF50x系列，具有4M字节片内闪存、68k字节片内静态随机存储器、8个32比特脉宽调制输出定时器、2组串行总线接口、2路串行异步收发器，以及35个通用输入输出口等适合该计划的资源。图3解说了咱们的计划怎么完结在数字域内的同步解调。ADSP-BF504F输出一对在逻辑上互补的电磁流量传感器线圈的驱动操控脉冲信号1和2。在这对信号的操控下，流过电磁流量传感器线圈的电流完成换向，丈量管段内的作业磁场方向和电磁流量传感器电极输出的信号也随之回转。以第n个周期为例，数字信号处理器把从模数转化器得到的信号样点依照线圈驱动操控脉冲的逻辑状况分组暂存为静态随机存储器里的两个数组。即正向励磁半周时采到的样点按时刻排序存为一组，负向励磁半周时采到的样点按时刻排序存为另一组。去除电流换向的瞬态和信号趋向安稳的少部分动摇样点，余下的样点别离进入一个有限冲激响应的低通数字滤波器进行滤波。该滤波器的截止频率设置为20赫兹，能够让有用的信号经过的一起衰减高频噪声和工频搅扰。经过滤波的正向和反向数据样点进行求均匀运算各得到一个正向和反向励磁半周的信号均匀值，然后把这两个均匀值相减得到与流速成份额的信号值。该数值的量纲是LSB/（米/秒）。该数值除以电路硬件的增益、模数转化器的标尺、电磁流量传感器的灵敏度即可核算出米/秒流速值。与传统的以模仿信号处理为主的计划比较，该部分电路面积、功耗下降约一半，电子线路噪声下降约20%，物料本钱削减约30%。
2 励磁电路计划
电磁流量传感器鼓励电路又叫做励磁电路，需求与信号扩大调度电路阻隔。一般等级一千伏的根本阻隔就满意。传统的电磁流量转化器常用光耦阻隔。咱们开发的计划中选用iCoupler磁阻隔四通道数字阻隔器ADuM7440完成阻隔。ADuM7440数字阻隔器阻隔器结合了高速CMOS和单片空芯变压器技能，供给四个独立的阻隔通道，选用小型16引脚QSOP封装，比SOIC宽体封装节约近70%的电路板空间，比光耦器材封装尺度更小，功耗更低，满意比如UL和CSA规范等法规需求。ADuM7440的供电电压规模在任何一侧均为3.0V至5.5V，可供给与低压体系的兼容，并可完成经过阻隔屏障的电平转化功用。
开关形式同步降压芯片ADP2441、ADR5040基准电压源，合作集成场效应管H桥芯片组成励磁电路。如图2所示ADP2441 被装备为恒流源输出形式。ADR5040输出1.2伏基准电压，分压得到150毫伏的参阅电压。该电压连接到ADP2441的电压盯梢管脚，其反应管脚上的电压也变成150毫伏。如果在反应管脚接一0.6欧姆的电流设定电阻，则ADP2441就会调整输出电流到250毫安。经过改动电流设定电阻值即可改动恒流源电流的巨细。更低的参阅电压能够下降在电流设定电阻上的功耗。与传统变送器常用光耦、线型恒流源、插件封装的场效应管的计划比较，咱们的计划节约约80%以上的电路面积。总线输出侧的4到20毫安电流和频率脉冲输出电路的阻隔运用了iCoupler系列的ADuM7441和ADuM7240完成一千伏根本阻隔。
3 实验成果
合作25mm和50mm口径的电磁流量传感器，常温水的标定实验中，运用6.25赫兹励磁频率，在0.5米/秒到2米每秒的流速规模内，本文设计计划根本差错到达+/-0.2%读数。测验数据详见表1和表2。
4 定论
新式电磁流量计转化器计划显着简化了传统的信号处理电路，改善了励磁电路，大大削减了电路板面积，下降了功耗和物料本钱。原理样机在实验室测验中到达了±0.2%读数丈量精度。该计划具有优异的功能和杰出的性价比，值得电磁流量计厂家和用户做进一步评价和技能开发。
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