电磁流量计：设计考虑因素和解决方案

作者：Colm Slattery and Ke Li

流量计在当今工业中的应用范围在哪里？

“如果你不能衡量它，你就无法管理它。这是工业界经常听到的一句话，尤其与流量测量有关。简单地说，越来越需要监测更多的流量，而且往往要有更高的速度和准确性。有几个领域工业流量测量很重要，例如住宅垃圾。随着人们越来越关注保护我们的环境，在我们努力创造一个更清洁、污染更少的世界时，废物的处置和监测至关重要。人类正在消耗大量的水，随着世界人口的增长，这种情况将继续下去。流量计对于监测住宅污水废物以及作为废水处理厂过程控制系统的组成部分至关重要。

图1.简化的废水处理厂。

流量计还可用于许多工业控制过程，包括化学/制药、食品和饮料以及纸浆和造纸。此类应用通常需要在存在高含量固体的情况下测量流量，而大多数流动技术都不容易实现。

在贸易交接领域需要高端流量计，它处理双方之间产品转让的转移和支付。一个例子是通过大型管道输送石油。在这里，即使流量测量精度随时间推移的微小变化也可能导致其中一方的重大收入损失或收益。

为什么电磁感应技术非常适合液体流量测量？

在液体流量测量方面，该技术具有许多优势。传感器通常插入管道直径的管线中，因此设计为不会干扰或限制被测介质的流动。由于传感器没有直接浸入液体中，没有移动部件，因此没有磨损问题。

电磁法测量体积流量，这意味着测量对流体密度、温度、压力和粘度等影响的变化不敏感。一旦电磁流量计用水校准，它就可以用来测量其他类型的导电流体，无需额外的校正。这是其他类型的流量计所没有的显着优势。

电磁技术特别适用于在固液两相介质内进行测量，例如具有悬浮污垢、固体颗粒、纤维的液体，或浆料等高导电介质中的粘度。它可用于测量污水，泥浆，矿浆，纸浆，化纤浆料和其他介质。这使得它特别适用于食品和制药行业，在那里它可以测量玉米糖浆、果汁、葡萄酒、药物和血浆以及许多其他特殊介质的流量。

这项技术是如何工作的？

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，当导电流体流过传感器的磁场时，一对电极之间会产生与体积流量成正比的电动势，垂直于流动方向和磁场。电动势的振幅可以表示为：

其中E是感应电势，k是常数，B是磁通密度，D是测量管的内径，v是流体在测量管内电极横截面轴向方向上的平均速度。

图2.电磁流量计的工作原理。

传感器的输出范围是多少？

传感器具有差分输出。其灵敏度通常为 150 微伏/（mps） 至 200 微伏/（mps）。由于激励电流与其方向交替，传感器输出信号幅度加倍。对于 0.5 米/秒至 15 米/秒的流量测量范围，传感器输出信号幅度范围为 75 微伏至约 4 mV 至 6 mV。图3显示了用恒流源激励和流体流过传感器时的传感器输出信号。传感器输出引线上捕获的示波器图显示，在显著共模电压下有一个非常低电平的信号。紫色迹线表示正极，红色迹线表示负极。粉红色迹线是减去正极和负极的数学通道。低电平信号处于显著共模。

图3.电磁流量传感器的输出信号。

测量传感器的传统方法是什么？

传统方法在很大程度上是模拟方法——具有高输入阻抗的前置放大器级，以减轻传感器泄漏效应和高输入共模抑制，然后是3RD或 4千订购模拟带通滤波器、采样保持级，最后订购模数转换。典型的模拟前端方法如图4所示。传感器输出信号首先由仪表放大器放大。尽可能放大感兴趣的信号至关重要，同时也要避免放大器输出饱和，因为不需要的直流共模电压。这通常将第一级仪表放大器的增益限制在不超过×10。带通滤波器级进一步消除直流效应，并将信号重新放大到采样保持电路中，然后发送至模数转换器，该差分信号代表流速。

图4.传统的模拟前端方法。

影响电磁流量计架构变化的市场趋势是什么？

有多种行业趋势推动了对新架构的需求。一是对更多数据的需求不断增加。监测液体中除流量以外的其他属性的能力变得越来越有价值。例如，这可以确定液体中可能存在哪些污染物，也可以确定液体是否具有适合应用的正确密度/粘度。添加此类诊断有许多这样的要求和好处。传统的模拟方法不可能轻易提取此类信息，因为大多数传感器信息在同步解调阶段会丢失。

在制造过程中，对提高生产力和效率的需求也在不断。例如，在液体计量/灌装应用中，越来越多的灌装节点被添加，随着制造过程的扩大和灌装速度的提高，这推动了对更快、更准确的流量监控的需求。

图5.液体计量/灌装。

传统上，机械或重量技术已被用于确定作为计量过程的一部分添加的正确液体量，或作为生产过程的一部分确定确切的填充量。这些往往非常昂贵且难以扩展。为了满足这一需求，流量计，特别是涉及液体的电磁流量，已成为首选技术。

新架构是什么样的？

过采样方法极大地简化了模拟前端设计。可以移除模拟带通滤波器和采样保持级。电路中的前端放大器现在仅由一级仪表放大器组成，在本例中为AD8220 JFET输入级轨到轨输出仪表放大器，可直接连接到高速Σ-Δ转换器。

图6.采用AD8220和AD717x-x的过采样架构模拟前端。

对模拟前端来说，什么很重要，这对我的设计有何影响？

放大器和ADC是该应用中两个最关键的模块。第一级放大器有许多关键要求。

其中一个要求是共模抑制比（CMRR）。液体电解质中的离子进行定向运动，因此电极和流体之间产生电势，这就是我们所说的极化。如果两个电极完全匹配，则电极上的电势应相等。不同金属的极化电压范围为几百mV至±2 V。这是出现在传感器输出和前置放大器输入端的直流共模电压。前置放大器是抑制这种共模的关键。

图7.共模被前置放大器抑制。

100 dB CMRR会衰减0.3 V直流共模为3 μV，表现为放大器输出端的直流失调，随后可以校准。在理想情况下，传感器上的共模电压将保持不变，但实际上它会随着时间的推移而变化，并受到其他影响的影响，如液体质量或温度。CMRR越高，就越能减少对连续背景校准的需求并提高流动稳定性。

表 1.共模抑制对实际流速的影响

	CMRR 与 CMV 直流以及抑制后的噪声
共模抑制比	120分贝	100分贝	80分贝	60分贝
0.28 V直流共模	0.28 μV	2.8 μV	28 μV	280 μV
0.1 V共模噪声	0.1 μV	1 μV	10 μV	100 μV
共模噪声转换为175 μV/（mps）传感器的流速	0.0006 MPS	0.006 立方码	0.06 英里/秒	0.6 英里/秒

电极的金属材料接触电解液。液体电解质和电极之间的摩擦产生更高频率的交流共模电压。虽然通常幅度较小，但交流共模表现为完全随机的噪声，因此更难抑制。这就要求前置放大器不仅在直流范围内，而且在更高的频率下都具有良好的CMRR。AD8220放大器在直流至5 kHz范围内具有出色的CMRR。对于AD8220 B级器件，直流至60 Hz时的最小CMRR为100 dB，最高5 kHz时为90 dB，可将共模电压和噪声抑制至微伏左右。当CMRR为120 dB时，0.1 V 峰峰值降至0.1 μV 峰峰值。表2显示了CMRR抑制不良对输出传感器信号的影响。

图8.AD8220 直流和交流共模效应抑制

前置放大器级的低漏电流和高输入阻抗是另一个关键参数，因为电磁流量传感器的输出阻抗可能高达GΩ。放大器的高输入阻抗可以避免传感器输出负载过大，从而导致信号幅度减小。放大器的漏电流应足够低，以便在流过传感器时不会成为明显的误差源。10 pA 最大输入偏置电流和 1013AD8220的输入阻抗Ω使得该器件能够处理电磁流量传感器的各种输出特性。表2列出了前置放大器的输入阻抗对10 GΩ高输出阻抗传感器的影响。

表 2.放大器输入阻抗对流量的影响

传感器输出阻抗 （GΩ）	放大器输入阻抗 （GΩ）	降低信号幅度，持续 1 mps （μV）	重复性（%）	读数误差 （%）
10	10	87.50	0.065%	0.196%
10	100	15.91	0.051%	0.154%
10	1000	1.73	0.049%	0.148%
10	10,000	0.17	0.049%	0.147%

最后，0.1 Hz至10 Hz范围内的1/f噪声为应用设定了本底噪声。当配置为增益为10时，AD8220的基准电压噪声约为0.94 μV p-p，瞬时分辨6 mm/sec和亚mms累积流速。

如何选择我的ADC，应用中什么是重要的？

过采样方法确实带来了挑战，并推动了ADC模块的性能要求。由于没有次级模拟滤波器有源增益级，因此仅使用ADC输入范围的一小部分。过采样和平均本身无法显著提高性能，因为每个传感器周期都需要完全稳定才能用于流量计算。此外，作为固件过程的一部分，您需要从这些有限的数据点获得足够的模数采样，以消除意外故障。

图9.流量信号采样。

过采样架构通常需要>20 kSPS数据速率的ADC速率，但越快越好。这与实际流量测量没有特别关系。由于没有模拟带通滤波器级，ADC输入端可以有效地看到原始传感器输出。在这种情况下，由于传感器的上升沿未被滤波，ADC需要在上升沿和下降沿期间具有足够的分辨率，以便足够准确地捕获这些沿。

流量计本身的精度可以确定为瞬时流量测量或累积流量测量。流量计标准使用累积流量技术 - 测量长时间（例如30或60秒）内水量的平均流量。这而不是瞬时流量测量决定了±0.2%的系统精度。瞬时流量适用于实时流量很重要的场合。它对电子设备的精度要求更高。理论上，要分辨到5 mm/sec的瞬时流动分辨率，ADC需要在一个激励周期内实现20.7位峰峰值分辨率，即大约600个样本的后FIR滤波器。这可以通过模拟前端实现。

表 3.模拟前端和ADC的噪声预算

灵敏度为 175 μV/（mps） 的传感器的流速分辨率	分辨率下传感器输出的信号幅度	模拟前端的参考输入噪声预算	过采样模拟前端增益为10时的ADC噪声预算
10 毫米/秒	3.5 μV 峰峰值	1.75 μV 峰峰值	5.8 μV 峰峰值/19.7 位*
5.4 毫米/秒	1.89 μV 峰峰值	0.95 μV 峰峰值	3.2 μV 峰峰值/20.6 位*
5毫米/秒	1.75 μV 峰峰值	0.88 μV 峰峰值	2.9 μV 峰峰值/20.7 位*
*数据来自一个FIR滤波周期和一个瞬时流量计算。

AD7172-2为电磁流应用提供了低输入噪声和高速采样的完美组合。采用2.5 V外部基准电压源的AD7172-2的典型噪声可低至0.47μV峰峰值。这意味着最终的流动结果可以在高达50 SPS的速度刷新，而无需增加额外的扩增级。图10显示了采用AD7172-2的过采样前端电路的噪声图。

图 10.采用AD8220和AD7172-2过采样架构的基准至输入噪声测试结果

我们如何才能获得更快的响应，以满足行业对更高效率的需求？

可以通过增加传感器激励频率来提高流量测量的系统更新速率。在这种情况下，传感器输出建立的时间较短，因此可用样本的平均值也较少。使用噪声较低的ADC，折合到传感器输出噪声的参考可以进一步降低。使用相同的前端驱动器AD8220，增益配置为×10，模拟前端性能可以以更高的更新速率与领先的竞争产品进行基准测试。表4和图11显示了ADI在更高的系统更新速率下与最接近的竞争对手相比获得的优势。

表 4.测量精度与传感器激励频率的比较

激励频率（赫兹）	6.25	12.5	25	50	100	200	400
使用AD7172-2	0.12%	0.12%	0.13%	0.16%	0.19%	0.24%	0.33%
与最接近的竞争对手	0.13%	0.15%	0.19%	0.25%	0.33%	0.46%	0.64%
差距	12%	22%	47%	57%	77%	89%	95%

图 11.测量精度与传感器激励频率的比较。

仪表放大器是否能够直接驱动ADC，我如何确定这一点？

通常，这取决于仪表放大器的驱动能力和ADC的输入结构。许多现代精密ADC都基于开关电容架构。片内采样保持电路表现为上游放大器的瞬态负载，它必须能够建立开关电容输入以实现精确采样。

图 12.等效模拟输入电路。

以下公式可用于检查放大器是否要驱动ADC。

哪里：

带宽是放大器驱动ADC所需的最小带宽。

MCLK是ADC调制器时钟频率赫兹。

T 是短路相位时间，秒。

FS是ADC的全模拟输入范围，伏特。

CMV 是 ADC 输入范围的共模电压，伏特。

误差是ADC采样的建立误差。

例如，AD7172-2的调制器频率为2 MHz，短路相位时间为10 ns，全输入范围为5 V，CMV为2.5 V，建立误差为1 ppm。所得带宽系数为8.7 MHz，当AD7172-2处于无缓冲模式时，驱动放大器需要此带宽值。这超过了1.7 MHz，这是AD8220以及许多精密仪表放大器的增益带宽积能力。AD7172-2在两个ADC模拟输入端均具有真正的轨到轨、集成式、精密单位增益缓冲器。它设计用于在所有频率上驱动AD7172输入级，并降低客户的设计复杂性和风险。缓冲器提供高输入阻抗，典型输入电流仅为5 nA，允许将高阻抗源直接连接到模拟输入。缓冲器完全驱动内部ADC开关电容采样网络，简化了模拟前端电路要求，同时每个缓冲器的典型功耗为0.87 mA。每个模拟输入缓冲放大器都是完全斩波的，这意味着它可以最大限度地减小缓冲器的失调误差漂移和1/f噪声。

磁场是如何产生的？

测量管内的磁场是通过通过安装在管道外部旁边的线圈施加恒定电流而产生的。线圈通常成对存在，并相互串联。线圈通常是数百匝铜线，因此被其驱动器电路视为重要的电感负载。线圈电感通常约为数十至数百毫亨利，外加 50 Ω 至 100 Ω 直流串联电阻。当驱动电路改变激励电流的方向时，磁场在每个周期内交替其方向，这是通过打开和关闭H桥上的不同开关来完成的。交流频率通常是用于消除噪声的电源线频率的整数倍。驱动电路由恒流源和微处理器控制的H桥组成。

图 13.磁场产生。

功耗重要吗？

是的。电磁流量计的激励电流可能相当大，从小直径的50 mA到大直径管道的500 mA或1 A。恒流电路线性调节时会消耗大量功率和电路板面积。

与线性稳压恒流电路相比，开关模式电源可用于节省功耗。如图所示，ADP2441配置为恒流源输出模式。1.2 V ADR5040输出电压被两个电阻分压至150 mV。该150 mV电压施加于ADP2441电压跟踪引脚，因此电压反馈引脚也保持在150 mV。在反馈引脚上放置一个0.6 Ω电流设置电阻时，ADP2441会将其输出电流调节到ISET电平。通过调整连接到ADP2441反馈引脚的电流设置电阻的值，可以调节恒流源。

图 14 （a）.驱动隔离的H桥，带SMPS和i耦合器。

（b）. 驱动隔离式H桥，带线性稳压电流源和光耦合器。®

表 5.推荐的开关稳压器

推荐的ADI开关稳压器	效率
ADP2441	200 mA 输出时为 90% （@12 V），最高支持 1 A
ADP2360	10 mA 输出时为 90%，最高支持 50 mA

这种驱动级设计还有其他好处吗？

有显著的区域效益。电磁流量传感器驱动器电路（也称为激励电路）通常与信号调理电路隔离——1 kV基本隔离通常就足够了。传统的电磁流量变送器通常使用光耦合器隔离。光耦合器的可靠性往往较差，而且相当大。ADuM7440数字隔离器结合了高速CMOS和单芯片空芯变压器技术，在小型16引脚QSOP封装中提供四个独立的隔离通道。

图 15.光耦合器与数字隔离器设计的面积比较

与采用光耦合器、线性稳压恒流源和分立式FET H桥采用通孔封装的传统方案相比，采用数字隔离方法节省的功耗可节省80%以上的电路面积。

表 6.H桥驱动阶段使用的关键部件比较

组件	数量	包	面积（毫米2)		组件	数量	包	面积（毫米2)
PC817B	2	浸码-4	63.24		ADUM7440ARQZ	1	QSOP-16	31
TIP127， PNP 达林顿	2	TO-220	51.54		ZXMHC6A07N8	1	SOIC-8	31
TIP22， NPN 达林顿	2	TO-220	51.54		MMBT3904LT1G	2	SOT-23	13.92
					1SMA5917BT3G	1	SMA	13.55
总面积			333		总面积			89

如何计算流量？

在数字域中，交流流信号仍然需要滤波和同步解调。图15说明了该算法如何在数字域中实现同步解调。DSP发出控制信号1和2，这是一对用于电磁流量传感器线圈激励的互补逻辑信号。在这两个信号的控制过电磁流量传感器线圈的电流在每个周期中反转，因此磁场的方向以及电极上的传感器输出在每个周期中也会反转。

图 16.数字域中的同步解调和流速计算。

例如，在第n个周期中，DSP（在本例中为ADSP-BF504F）知道ADC样本进入时控制信号1和2的时序和逻辑。这允许DSP根据线圈驱动控制信号的逻辑状态将这些ADC样本分类到SRAM中的两个阵列中。也就是说，在正半周期内获得的带时间戳的样本被分类到一组，而在负半周期内获得的那些样本被分类到另一组中。随后，每组器件均通过FIR（有限脉冲响应）低通滤波器。滤波器的截止频率设置为30 Hz，允许有用信号通过，抑制电源线频率和高频噪声分量的干扰。图17显示了过采样前端设计中FIR滤波器的曲线，以及模拟同步解调架构中使用的模拟带通滤波器的曲线。

图 17 （a）.数字FIR低通滤波器的轮廓。

（b）. 模拟带通滤波器的轮廓。

然后，该算法减去两个平均值，得到与流速成比例的值。此值的结果单位是 LSB 每（米/秒）。此值需要进一步处理。最终的流速计算公式为：

哪里：

ΔFlowRate 是从正激励和负激励阶段 LSB 中减去两个平均值的结果。

V裁判是 ADC 基准电压，伏特。

N 是 ADC 分辨率位数。

G是模拟前端的增益。

灵敏度是传感器的标称灵敏度，V/（米/秒）。

KT是发射器系数。

KS是传感器系数。

KZ是零偏移量。

如何选择合适的处理器？

过程的选择是一个重要的选择。人们越来越需要更多的处理能力，以支持更复杂的算法计算或增强诊断或预测。全球也在推动提高电气和工业基础设施的能源效率。客户要求以更低的功耗和可达到的成本点获得更多的处理能力。

用于EM流量的数字滤波器可能需要大量的处理能力。使用的32位FIR滤波器功耗为80 MIPS。流速计算、外围通信驱动器和数据通信分别需要 40 MIPS、32 MIPS 和 20 MIPS。这些加起来总共达到 172 MIPS。在此设计中，上述任务由能力高达400 MIPS的ADSP-BF504F数字信号处理器完成。已经使用了近50%的处理能力，这是在多层通信堆栈、HART通信、诊断、安全监控功能或LCM驱动器被包括在内之前。

表 7.MIPS 消耗

任务	MIPS
远红外滤波器	80
计量数据处理	40
AD7172-2 数据访问	32
别人	20
总	172

片上外设也很关键。DSP具有多种功能来实现，包括SPI，UART，I2C和脉冲输出通信。有 35 个 GPIO 可用于硬件控制和逻辑输入/输出，例如，用于控制 LCD、键盘输入、警报和诊断。SRAM存储器存储滤波器系数、SPI数据通信、LCM数据缓存、机器状态数据以及内部状态标志。68 kB片上静态随机存取存储器（SRAM）满足系统级要求，由32 kB L1指令SRAM/缓存和32 kB L1数据SRAM/缓存组成。RS-485和HART通信也需要存储器。ADSP-BF504F的4 MB片内闪存可用于存储程序数据、滤波器系数和校准参数。

图 18.ADSP-BF504F外设。

展望未来，将继续推动越来越多的处理能力。为了满足这一不断增长的需求，ADSP-BF70x Blackfin处理器系列是一款高性能DSP，可在低于100 mW的情况下提供一流的800 MMACS处理能力。经济高效的八成员系列包括高达 1 MB 的内部 L2 SRAM，在许多应用中无需外部存储器，而第二种配置具有可选的 DDR2/LPDDR 存储器接口。表8显示了ADSP-BF7xx系列的主要特性。®

表 8.ADSP-BF70x 黑鳍金枪鱼处理器系列

通用设备	DSP 内核性能	片上存储器	外部存储器	关键连接选项	其他功能	包
ADSP-BF700 ADSP-BF702 ADSP-BF704 ADSP-BF706	100 MHz 至 400 MHz 800 MMCAC， 16 位 400 MMCAC， 32 位	132 kB 一级静态存储器/缓存 二级静态存储器 选项 128 kB 256 kB 512 kB 1 MB 512 kB 二级只读存储器	不适用	ePPI， 运动型 （2）， 四/双 SPI （3）， I2C， UART （2）， CAN 2.0 B （2）， SD/SDIO/MMC （4 位） USB 2.0 HS OTG	OTP、安全加速器、 数据完整性（具有 L1 奇偶校验和 L2 ECC）、 WDT、RTC	QFN 88 引脚， 12 mm × 12 mm
ADSP-BF701 ADSP-BF703 ADSP-BF705 ADSP-BF707			16 位 LPDDR DDR2	以上选项加上 SDIO / MMC / eMMC（8 位） 4 通道、12 位 ADC		BGA 184 球 12 毫米 × 12 毫米 0.8 毫米

ADI为电磁流量计解决方案提供什么？

ADI开发了一个系统级参考设计，用于对电磁流量计的完整信号链进行原型设计。该系统的配置使其可以连接到任何EM流量传感器类型，应用适当的激励频率和电压电平以产生磁场（由Blackfin DSP控制），测量传感器输出，并应用后处理滤波器和算法来计算流速。ADI在实际流量钻机环境中校准设计，如图19所示，并将校准系数存储在存储器中。可以进行单点或多点校准，从而通过多点线性化提高性能。通过这样做，我们能够证明模拟前端设计的性能可以满足领先的高端流量计的性能。

图 19.ADI完整解决方案。

与传统架构相比，过采样架构有一些关键优势。可显著节省面积和成本，分别高达 50% 和 20%。由于能够保存传感器信号并对其应用后处理，因此还可以节省功耗并增强系统性能。有关ADI参考设计的更多信息，请联系 [e-mail]。

您是否测量了设计中的数据？
评价结果

参考设计是在室温下用水连接到流量校准台上的25 mm直径电磁流量传感器时进行测试的。当激励频率设置为6.25 Hz时，在0.5米/秒至2米/秒的范围内实现了读数的±0.2%的基本误差。测试结果数据如表9所示。

表 9.带DN25传感器的数字过采样演示板的校准结果

流速（兆秒）	读数误差 （%）	重复性（%）
2.05	–0.14%	0.00%
1.01	0.03%	0.03%
0.49	0.07%	0.04%
0.21	0.42%	0.08%
0.10	1.15%	0.01%
0.05	2.74%	0.06%

总结和结论

在世界范围内，特别是在欧洲，越来越多的环境法规正在实施，以监测和控制住宅和商业行业的废物。电磁流技术是此应用的首选技术。传统架构往往是一种模拟方法。这有一些缺点，例如成本、面积、功耗、响应时间和有限的系统信息。该行业的趋势是采用过采样方法。这给ADC的要求带来了重大挑战，因为更新速率将增加10×量级，但不能利用平均的优势，这在高更新速率下的噪声要求方面突破了ADC的界限。还有一些电力挑战需要解决。液体类型和管道直径类型的广泛范围产生了对动态功率控制功能的需求，有效地具有一种设计，可以满足所有传感器类型的需求，同时将功耗降至最低。Blackfin DSP为流量计应用提供了低功耗和处理要求的正确组合。它执行复杂的FIR滤波器算法来计算流速，同时以低于100 mW的功率提供一流的800 MMACS处理能力。完整的设计为以前的技术提供了一种大大简化的方法，具有成本、功耗和面积节省的许多优势。

审核编辑：郭婷