工業(yè)超聲波流量計系統(tǒng)原理
超聲波流量計是容積式流量計,,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),。流量計利用飛行時間或多普勒技術(shù)測量流量。
采用飛行時間原理的流量計有一對或多對傳感器,。測量超聲波沿兩個方向的發(fā)射時間,,由此便可計算流量。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%,。它可以實現(xiàn)優(yōu)于1%的精度,。
采用多普勒方法時,超聲壓力波被流體中的運動顆粒反射,。這些顆粒的速度在回波信號中產(chǎn)生一個多普勒偏移,,由此便可確定流量。在實際應(yīng)用中,,這種測量方法的精度通常不超過3%,。
超聲波流量計包括電源、傳感器激勵,、信號調(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(如4 mA至20 mA、HART,、RS-485,、無線等)。
工業(yè)超聲波流量計系統(tǒng)設(shè)計考慮和主要挑戰(zhàn)
本解決方案指南重點關(guān)注基于飛行時間原理的超聲波流量計,。下面的信號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。除了需要實現(xiàn)較高測量精度以外,,這些設(shè)計常常還有相當嚴格的空間限制,。
液體超聲波流量計常用1 MHz超聲波頻率。系統(tǒng)精度與上游和下游飛行時間測量的精度直接相關(guān),。因此,,一般使用FPGA來控制發(fā)射和接收脈沖的時序。此外,,必須認真對待發(fā)射和接收信號路徑延遲的任何可能偏差,。
另一個重要方面是接收信號鏈需要高增益。此增益需要動態(tài)可調(diào)以適應(yīng)不同的流動條件和管道尺寸,,典型范圍是60 dB或更高,因此需要低噪聲的接收信號鏈路徑,。
傳感器激勵可以是開/關(guān)式,,或者波形發(fā)生器。波形發(fā)生器通常會增加成本和復(fù)雜度,,但用戶可以更好地控制輸出信號,,實現(xiàn)更精確、更魯棒的流量計設(shè)計。
信號處理需要大量濾波和FFT分析以確定接收信號的準確時間戳,,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
主信號鏈