电极材料及前端放大器的使用 - 电磁流量计可在工业应用中实现高精度

　　电极或检测元件同样也是重要的考虑因素。两种主要的测量技术都是容性的，一种是电极安装在管道外面；另一种更常见，即电极插入管道中，并由液体冲刷。

　　传感器电极有多种不同的材料选项，每一种都有独特的属性，包括温度漂移、腐蚀率和电极电位。最佳组合是采用低腐蚀率（每年《0.02 英寸）的高温材》100°C）。表 3 显示部分具有代表性的传感器材料，及其标准电位。

　　表 3. 传感器材料和电位

　

　　铂是高质量电极材料的一个极佳示例，它的腐蚀率低于每年0.002 英寸，并且可在高达 120°C的环境温度下工作。然而铂具有相对较高的 1.2 V电极电位，并且会产生需要在传感器输出端进行抑制的共模电压（CMV）。不锈钢电极的CMV仅为几百mV，因而可以更为轻松地抑制共模电压。在非腐蚀性流体 中，不锈钢材料的使用更为广泛。

　　如果两个电极采用相同的材料，并且具有相同的表面状况，那么它们的电位应当相等。然而，事实上，极化电位会像低频交流信号那样缓慢波动，因为流体和电极之间存在物理摩擦或电化学效应。任何失配都将表现为差模噪声。偏置电压与电极电位共同组成共模电压，在第一级放大器输入端产生几百mV至大约1 V的共模电压；因此，电子器件必须具有适当的共模抑制能力。图7显示差分系统的单电极电位，该系统#316不锈钢电极的偏置为0.28 VDC，噪声为0.1 VP-P；电极安装在直径为50 mm的水管上。

　　

　　图 7. 偏置为 0.28 VDC b、共模噪声为 0.1 VP-P 系统中的电极电位

　　典型流速范围为 0.01 m/s至 15 m/s——即动态范围为 1500:1。典型线路供电电磁流量计的灵敏度为 150 µV/（m/s）至 200 µV/（m/s）。因此，双向流速为 0.01 m/s时，150 µV/（m/s）传感器将提供 3 µVP-P 输出。对于 2:1 的信噪比而言，折合到输入端的总噪声不应超过 1.5 µVP-P。在直流到低频范围内，流速的变化十分缓慢，因此 0.1 Hz至 10 Hz噪声带宽非常重要。此外，传感器输出电阻可以非常高。为了满足这些要求，前端放大器必须具备较低的噪声、较高的共模抑制能力，以及较低的输入偏置电流。

　　传感器的共模输出电压由前端放大器的共模抑制进行衰减。若CMR为 120 dB，则 0.28 VDC 偏置被抑制到 0.28 µVDC。该失调 可以通过对信号进行交流耦合而校准或消除。交流分量会在放 大器输出端产生噪声，降低最低可检测水平。若CMR为 120 dB，则 0.1 VP-P 被抑制到 0.1 µVP-P。

　　传感器输出电阻在几十Ω至 107 Ω之间变化，具体取决于电极类型和流体导电率。为了最大程度降低损失，前端放大器的输入阻抗必须远大于传感器的输出电阻。需要用到一个具有高输入电阻的JFET或CMOS输入级。前端放大器的低偏置电流和低失调电流是最大程度降低电流噪声和共模电压的关键参数。表 4 显示数个推荐前端放大器的规格。

　　表 4. 代表性仪表放大器规格

　　

　　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 µVP-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 RON 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。