工業(yè)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)原理

超聲波流量計(jì)是容積式流量計(jì)，用于測量液體、氣體或蒸汽的流量。它們常用于油氣、制藥、食品飲料行業(yè)。流量計(jì)利用飛行時(shí)間或多普勒技術(shù)測量流量。

采用飛行時(shí)間原理的流量計(jì)有一對或多對傳感器。測量超聲波沿兩個(gè)方向的發(fā)射時(shí)間，由此便可計(jì)算流量。這種技術(shù)通常需要相對純凈的介質(zhì)，顆粒量應(yīng)小于5%。它可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1%的精度。

采用多普勒方法時(shí)，超聲壓力波被流體中的運(yùn)動(dòng)顆粒反射。這些顆粒的速度在回波信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)多普勒偏移，由此便可確定流量。在實(shí)際應(yīng)用中，這種測量方法的精度通常不超過3%。

超聲波流量計(jì)包括電源、傳感器激勵(lì)、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器、處理器、顯示屏、鍵盤和多種通信選項(xiàng)(如4 mA至20 mA、HART、RS-485、無線等)。

工業(yè)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn)

本解決方案指南重點(diǎn)關(guān)注基于飛行時(shí)間原理的超聲波流量計(jì)。下面的信號(hào)鏈最適合要求較高性能的應(yīng)用，尤其是具有多對傳感器的應(yīng)用。除了需要實(shí)現(xiàn)較高測量精度以外，這些設(shè)計(jì)常常還有相當(dāng)嚴(yán)格的空間限制。

液體超聲波流量計(jì)常用1 MHz超聲波頻率。系統(tǒng)精度與上游和下游飛行時(shí)間測量的精度直接相關(guān)。因此，一般使用FPGA來控制發(fā)射和接收脈沖的時(shí)序。此外，必須認(rèn)真對待發(fā)射和接收信號(hào)路徑延遲的任何可能偏差。

另一個(gè)重要方面是接收信號(hào)鏈需要高增益。此增益需要?jiǎng)討B(tài)可調(diào)以適應(yīng)不同的流動(dòng)條件和管道尺寸，典型范圍是60 dB或更高，因此需要低噪聲的接收信號(hào)鏈路徑。

傳感器激勵(lì)可以是開/關(guān)式，或者波形發(fā)生器。波形發(fā)生器通常會(huì)增加成本和復(fù)雜度，但用戶可以更好地控制輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更精確、更魯棒的流量計(jì)設(shè)計(jì)。

信號(hào)處理需要大量濾波和FFT分析以確定接收信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)間戳，這可以利用DSP處理器完成，它還能支持所需的接口協(xié)議。

Main Singnal Chain

主信號(hào)鏈