选择 ADC - 电磁流量计可在工业应用中实现高精度

        选择 ADC

　　确定系统误差预算时，通常传感器是主导的因素，并且很多传感器都会占到总误差的 80%至 90%。电磁流量计的国际标准规定，在 25°C和恒定流速的情况下，测量可重复性不应超过系统最大偏差的 1/3。若总误差预算为 0.2%，则可重复性不应超过 0.06%。若传感器占用了系统噪声预算的 90%，则变送器电极的最大误差应为 60 ppm.

　　若要最大程度降低误差，可以对ADC样本求平均值。例如，对于五个样本，可以舍弃最大样本和最小样本，并对余下的三个样本求均值。ADC在每个建立的间隔期间都需要获取五个样本，并在励磁周期的最后 10%期间获取。这要求ADC的采样 速率至少是传感器励磁频率的 50 倍。为了适应最快的 30 Hz励磁，最小采样速率需达到 1500 Hz。更高的采样速度允许对更多样本求均值，从而抑制噪声，获得更佳的精度。

　　Σ-?技术非常适合用来满足这些对ADC的要求，以适当的速度提供出色的噪声性能。超低噪声Σ-?型ADC AD7192 适合电磁流量计使用，该器件在 4800 Hz输出数据速率下具有 16.5 位无噪声分辨率额定值。表 5 显示该器件的有效分辨率与增益和输出数据速率的关系。

　　表 5. AD7192 有效分辨率与增益和输出数据速率的关系

　　

　　图 11 显示ADC子电路，包括解调器输出和微功耗、高精度 2.5V基准电压源 ADR3425 。

　　

　　图 11. ADC子电路

　　某些应用（比如饮料灌装）需更高频率的传感器励磁。150 Hz传感器线圈励磁允许在大约一秒时间内完成灌装过程。噪声要求不变，但ADC必须更快。Σ-?型ADCAD7176-2 的建立时间为 20 µs，250 kSPS时的无噪声分辨率为 17 位，50 Hz和 60 Hz信号音的噪声抑制性能为 85 dB。

　　
        模拟信号链测试

　　此处所述之构建块用来在校准实验室内励磁和测试电磁流量传感器。在真实的流量系统中还测试了完整的前端，包括高CMRR输入级、带通滤波器和增益级。两块测试板在 1 m/s至 5 m/s范围内达到±0.2%精度，可重复性为 0.055%，很好地满足了工业标准。电磁流量计的信号链如图 12 所示。

　　

　　图 12. 电磁流量计

　　传感器励磁和测量表示整体系统性能，因为电极产生的mV级信号最终转换为流量结果。流速信号通过多种协议传送至系统控制器，包括RS-485 和 4 mA至 20 mA电流环路。电流环路的重要优势是它不受线路压降的影响，可以实现长距离通信，并且相比电压通信更不容易受到噪声干扰影响。在工厂自动化应 用中，数字总线协议更为常用，使用差分电压模式信号通过较短的距离便可提供高速通信。图 13 显示 4 mA至 20 mA采样电路，使用HART ®图 14 显示隔离式RS-485 解决方案。

　　

　　图 13. 集成 HART 的 4 mA 至 20 mA 电流环路

　　

　　图 14. 隔离式 RS-485 电路

　　为了保持用户界面的安全电压，并防止源信号产生瞬变，通常在每个通信通道与系统控制器之间需要进行电流隔离。表6 列出的器件针对这些通信标准可提供最高的集成度。

　　表 6. 用于工业数据采集的集成电路

　　

        结论

　　电磁流量计是目前使用最为广泛的流量技术之一。主要用于液 体流量测量，重点是自来水与污水处理系统，在欧洲尤为受欢 迎。其主要的发展趋势是减少PCB面积和提升性能。系统性能 取决于模拟输入模块，该模块需要用到高阻抗、低噪声、高 CMRR输入放大器和低噪声、高分辨率Σ-?型ADC。后续发展 趋势表明需要用到速度更快的ADC。AD719x系列ADC满足当 前的系统级要求，而AD7176 系列能够很好地满足未来的要求。 ADI的高效率DC-DC调节器、集成式通信、高分辨率ADC、精 密放大器以及高精度基准电压源可让设计人员实现新设计，并 获得高于这些要求的性能。