電磁流量計可在工業應用中實現高精度
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圖 6. 隔離式勵磁電流監控
電極或檢測元件同樣也是重要的考慮因素。兩種主要的測量技術都是容性的，一種是電極安裝在管道外面；另一種更常見，即電極插入管道中，并由液體沖刷。
傳感器電極有多種不同的材料選項，每一種都有獨特的屬性，包括溫度漂移、腐蝕率和電極電位。最佳組合是采用低腐蝕率（每年<0.02 英寸）的高溫材>100°C)。表 3 顯示部分具有代表性的傳感器材料，及其標準電位。
表 3. 傳感器材料和電位
| 材料本文引用地址：http://www.104case.com/article/201702/338255.htm | 標準電位(V) | 材料 | 標準電位(V) |
| 鎂 | –2.34 | 鎳 | –0.25 |
| 鈹 | –1.70 | 鉛 | –0.126 |
| 鋁 | –1.67 | 銅 | 0.345 |
| 錳 | –1.05 | 銀 | 0.8 |
| 鋅 | –0.762 | 鉑 | 1.2 |
| 鉻 | 0.71 | 金 | 1.42 |
鉑是高質量電極材料的一個極佳示例，它的腐蝕率低于每年0.002 英寸，并且可在高達 120°C的環境溫度下工作。然而鉑具有相對較高的 1.2 V電極電位，并且會產生需要在傳感器輸出端進行抑制的共模電壓(CMV)。不銹鋼電極的CMV僅為幾百mV，因而可以更為輕松地抑制共模電壓。在非腐蝕性流體 中，不銹鋼材料的使用更為廣泛。
如果兩個電極采用相同的材料，并且具有相同的表面狀況，那么它們的電位應當相等。然而，事實上，極化電位會像低頻交流信號那樣緩慢波動，因為流體和電極之間存在物理摩擦或電化學效應。任何失配都將表現為差模噪聲。偏置電壓與電極電位共同組成共模電壓，在第一級放大器輸入端產生幾百mV至大約1 V的共模電壓；因此，電子器件必須具有適當的共模抑制能力。圖7顯示差分系統的單電極電位，該系統#316不銹鋼電極的偏置為0.28 VDC，噪聲為0.1 VP-P；電極安裝在直徑為50 mm的水管上。
圖 7. 偏置為 0.28 VDC b、共模噪聲為 0.1 VP-P 系統中的電極電位
典型流速范圍為 0.01 m/s至 15 m/s——即動態范圍為 1500:1。典型線路供電電磁流量計的靈敏度為 150 µV/(m/s)至 200 µV/(m/s)。因此，雙向流速為 0.01 m/s時，150 µV/(m/s)傳感器將提供 3 µVP-P 輸出。對于 2:1 的信噪比而言，折合到輸入端的總噪聲不應超過 1.5 µVP-P。在直流到低頻范圍內，流速的變化十分緩慢，因此 0.1 Hz至 10 Hz噪聲帶寬非常重要。此外，傳感器輸出電阻可以非常高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具備較低的噪聲、較高的共模抑制能力，以及較低的輸入偏置電流。
傳感器的共模輸出電壓由前端放大器的共模抑制進行衰減。若CMR為 120 dB，則 0.28 VDC 偏置被抑制到 0.28 µVDC。該失調 可以通過對信號進行交流耦合而校準或消除。交流分量會在放 大器輸出端產生噪聲，降低最低可檢測水平。若CMR為 120 dB，則 0.1 VP-P 被抑制到 0.1 µVP-P。
傳感器輸出電阻在幾十Ω至 107 Ω之間變化，具體取決于電極類型和流體導電率。為了最大程度降低損失，前端放大器的輸入阻抗必須遠大于傳感器的輸出電阻。需要用到一個具有高輸入電阻的JFET或CMOS輸入級。前端放大器的低偏置電流和低失調電流是最大程度降低電流噪聲和共模電壓的關鍵參數。表 4 顯示數個推薦前端放大器的規格。
表 4. 代表性儀表放大器規格
| 模型 | 增益 | ZIN | CMR(最小值，dB)，直流至 1kHz，G = 10 | 1/f 噪聲 (µVP-P) | IBIAS (pA) | 電源電壓(V) |
| AD620 | 1至 10,000 | 109 Ω || 2 pF | 100 | 0.55 | 500 | ±2.3至 ±18 |
| AD8220 | 1至 1000 | 1013 Ω || 5 pF | 100 | 0.94 | 10 | ±2.25至 ±18 |
| AD8221 | 1至 1000 | 1011 Ω || 2 pF | 110 | 0.5 | 200 | ±2.3至 ±18 |
| AD8228 | 10,100 | 1011 Ω || 2 pF | 100 | 0.5 | 400 | ±2.3至 ±18 |
| AD8421 | 1至 10,000 | 3×1010 Ω || 3 pF | 114 | 0.5 | 100 | ±2.5至 ±18 |
圖 8 顯示采用精密儀表放大器 AD8228 的流量計。前端放大器抑制共模電壓，同時放大微弱的傳感器信號。該流量計合理的布局以及經激光調整的電阻允許其提供有保證的增益誤差、增益漂移和共模抑制規格。為了最大程度降低泄漏電流，可以通 過對輸入電壓進行采樣，并將緩沖電壓連接至輸入信號路徑周圍的未屏蔽走線，從而保護高阻抗傳感器輸出。
第一級的增益通常為 10 至 20，但不會更高，因為低電平信號必須經過放大才能進行后期處理，同時保持較小的直流失調，避免后級電路飽和。
圖 8. 前端放大器和電磁流量傳感器之間實現接口
輸入級后接有源帶通濾波器，可用來消除直流分量，并將增益設為充分利用后級ADC的輸入動態范圍。傳感器勵磁頻率范圍為電源線頻率的 1⁄25 至 1⁄2，據此可設置帶通截止頻率。圖9 顯示流量計中使用的帶通濾波器。
圖 9. 輸入放大器后接帶通濾波器
第一級是一個交流耦合單位增益高通濾波器，截止頻率為 0.16Hz。其傳遞函數為：
隨后幾級結合第一級形成完整的帶通濾波器，其低頻截止頻率為 0.37 Hz，高頻截止頻率為 37 Hz，3.6 Hz時的峰值為 35.5 dB，滾降為–40 dB/十倍頻程，等效噪聲帶寬為 49 Hz。針對該級選擇的放大器一定不能產生額外的系統噪聲。
使用低功耗精密運算放大器 AD8622 ——其 1/f噪聲額定值為0.2 µVP-P，寬帶噪聲額定值為 11 nV/√Hz——折合到濾波器輸入端的噪聲為 15 nV rms。當折合到放大器輸入端時，該噪聲變為 1.5 nV rms，與 0.01 m/s流速下的±1.5 µV P-P 噪聲相比可以忽略不計。將來自共模電壓、前端放大器和帶通濾波器的噪聲源相加，則折合到AD8228 輸入端的方和根噪聲為 0.09 µV rms，或者約 為 0.6 µV P-P。
濾波器輸出在幅度中包含流速，在相位中包含流向。雙極性信號通過模擬開關、保持電容和差動放大器進行解調，如圖 10 所示。模擬開關必須具有較低的導通電阻和中等開關速度。高壓防閂鎖型四通道單刀單擲(SPST)開關 ADG5412 具有 9.8 Ω RON 典型值和1.2 Ω R ON 平坦度，對信號造成的增益誤差和失真很小。
圖 10. 同步解調電路
低功耗、低成本、單位增益差動放大器 AD8276 以 5 V滿量程輸入范圍與ADC實現接口。因此，其REF引腳連接 2.5 V基準電壓源，并對雙極性輸出進行電平轉換處理，將其轉換為單極性范圍。高于 2.5 V的輸出表示正向流動，而低于 2.5 V則表示 反向流動。
選擇 ADC
確定系統誤差預算時，通常傳感器是主導的因素，并且很多傳感器都會占到總誤差的 80%至 90%。電磁流量計的國際標準規定，在 25°C和恒定流速的情況下，測量可重復性不應超過系統最大偏差的 1/3。若總誤差預算為 0.2%，則可重復性不應超過 0.06%。若傳感器占用了系統噪聲預算的 90%，則變送器電極的最大誤差應為 60 ppm.
若要最大程度降低誤差，可以對ADC樣本求平均值。例如，對于五個樣本，可以舍棄最大樣本和最小樣本，并對余下的三個樣本求均值。ADC在每個建立的間隔期間都需要獲取五個樣本，并在勵磁周期的最后 10%期間獲取。這要求ADC的采樣 速率至少是傳感器勵磁頻率的 50 倍。為了適應最快的 30 Hz勵磁，最小采樣速率需達到 1500 Hz。更高的采樣速度允許對更多樣本求均值，從而抑制噪聲，獲得更佳的精度。
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