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(dāng)嚴(yán)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(zhǔn)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