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工业用超声波流量计系统原理和设计
发布日期:2018/9/14 15:25:54
工业用超声波流量计系统原理
超声波流量计是容积式流量计,用于测量液体、气体或蒸汽的流量。它们常用于油气、制药、食品饮料行业。流量计利用飞行时间或多普勒技术测量流量。超声波流量计采用时差式测量原理:一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后,被另一个探头接收到,同时,第二个探头同样发射信号被第 一个探头接收到。由于受到介质流速的影响,二者存在时间差Δt,根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt,进而可以得到流量值Q。
采用飞行时间原理的流量计有一对或多对传感器。测量超声波沿两个方向的发射时间,由此便可计算流量。这种技术通常需要相对纯净的介质,颗粒量应小于5%。它可以实现优于1%的精度。
采用多普勒方法时,超声压力波被流体中的运动颗粒反射。这些颗粒的速度在回波信号中产生一个多普勒偏移,由此便可确定流量。在实际应用中,这种测量方法的精度通常不超过3%。
超声波流量计包括电源、传感器激励、信号调理、模数转转器、处理器、显示屏、键盘和多种通信选项(如4 mA至20 mA、HART、RS-485、无线等)。
 
工业超声波流量计系统设计考虑和主要挑战方向
本解决方案指南重要点关注基于飞行时间原理的超声波流量计。下面所述的信号链适合要求较高性能的应用,尤其是具有多对传感器的应用。除了需要实现较高测量精度以外,这些设计常常还有相当严格的空间限制。
液体超声波流量计常用MHz超声波频率。系统精度与上游和下游飞行时间测量的精度直接相关。因此,一般使用FPGA来控制发射和接收脉冲的时序。此外,必须认真对待发射和接收信号路径延迟的任何可能偏差。
另一个重要方面是接收信号链需要高增益。此增益需要动态可调以适应不同的流动条件和管道尺寸,典型范围是60 dB或更高,因此需要低噪声的接收信号链路径。传感器激励可以是开/关式,或者波形发生器。波形发生器通常会增加成本和复杂度,但用户可以更好地控制输出信号,实现更精确、更鲁棒的流量计设计。信号处理需要大量滤波和FFT分析以确定接收信号的准确时间戳,这可以利用DSP处理器完成,它还能支持所需的接口协议。
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