电磁流量计可在工业应用中实现高精度

图 8 显示采用精密仪表放大器 AD8228 的流量计。前端放大器抑制共模电压，同时放大微弱的传感器信号。该流量计合理的布局以及经激光调整的电阻允许其提供有保证的增益误差、增益漂移和共模抑制规格。为了最大程度降低泄漏电流，可以通 过对输入电压进行采样，并将缓冲电压连接至输入信号路径周围的未屏蔽走线，从而保护高阻抗传感器输出。

第一级的增益通常为 10 至 20，但不会更高，因为低电平信号必须经过放大才能进行后期处理，同时保持较小的直流失调，避免后级电路饱和。

图 8. 前端放大器和电磁流量传感器之间实现接口

输入级后接有源带通滤波器，可用来消除直流分量，并将增益设为充分利用后级ADC的输入动态范围。传感器励磁频率范围为电源线频率的 1⁄25 至 1⁄2，据此可设置带通截止频率。图9 显示流量计中使用的带通滤波器。

图 9. 输入放大器后接带通滤波器

第一级是一个交流耦合单位增益高通滤波器，截止频率为 0.16Hz。其传递函数为：

随后几级结合第一级形成完整的带通滤波器，其低频截止频率为 0.37 Hz，高频截止频率为 37 Hz，3.6 Hz时的峰值为 35.5 dB，滚降为–40 dB/十倍频程，等效噪声带宽为 49 Hz。针对该级选择的放大器一定不能产生额外的系统噪声。

使用低功耗精密运算放大器 AD8622 ——其 1/f噪声额定值为0.2 µV_P-P，宽带噪声额定值为 11 nV/√Hz——折合到滤波器输入端的噪声为 15 nV rms。当折合到放大器输入端时，该噪声变为 1.5 nV rms，与 0.01 m/s流速下的±1.5 µV _P-P 噪声相比可以忽略不计。将来自共模电压、前端放大器和带通滤波器的噪声源相加，则折合到AD8228 输入端的方和根噪声为 0.09 µV rms，或者约 为 0.6 µV _P-P。

滤波器输出在幅度中包含流速，在相位中包含流向。双极性信号通过模拟开关、保持电容和差动放大器进行解调，如图 10 所示。模拟开关必须具有较低的导通电阻和中等开关速度。高压防闩锁型四通道单刀单掷(SPST)开关 ADG5412 具有 9.8 Ω R_ON 典型值和1.2 Ω R _ON 平坦度，对信号造成的增益误差和失真很小。

图 10. 同步解调电路

低功耗、低成本、单位增益差动放大器 AD8276 以 5 V满量程输入范围与ADC实现接口。因此，其REF引脚连接 2.5 V基准电压源，并对双极性输出进行电平转换处理，将其转换为单极性范围。高于 2.5 V的输出表示正向流动，而低于 2.5 V则表示 反向流动。

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