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[分享] 使用超声波技术进行流量测量

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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-12-11 15:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

        超声波技术已经在多种民用,医疗和军事应用中使用了一百多年。在发达国家,几乎每个人都经历过医疗超声波技术(甚至在出生前!);但是,最新的进展和用例已经用于工业和汽车市场的自动化领域。

       令人惊讶的是,这项技术在各种各样的应用程序中找到了自己的位置。它的非侵入性(非腐蚀性)或非接触特性使其成为医疗,制药,军事和工厂用途的理想选择。另外,其操作环境超出了人类可以听到的范围。

        流量测量是对液体或气体的流量或流速的量化,以单位表示,例如每小时升(lph)或每分钟加仑(gpm)。您会在住宅和工业环境中找到流量计,包括家庭和工业仪表中的简单公用事业仪表(燃气,水,暖气)或用于危险液体或气体(石油,采矿,废水处理,油漆,化学药品)的混合器;参见图1。在结构上,流量计包括三个单元:传感器单元,测量单元和通信单元。这些单元或功能块中的每一个可以是机械的或电子的。

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图1:住宅和工业应用中的流量计示例

 

      各种流量计设计都使用机械感应,这当然意味着运动部件。 电感电容器(LC),巨磁阻(GMR),隧道磁阻(TMR)或霍尔效应传感器捕获根据流量而变化的螺旋桨或叶轮的运动,并将其转换为数据并传递至测量单元。 因为存在运动部件,所以存在磨损和不准确的可能性。

      介质污染,灰尘积聚以及部件的结垢和老化也会影响精度,因此需要定期重新校准流量计。 还有可能被篡改,导致传感器报告不准确的结果。 这些仪表的使用寿命很短(不到7年),无法测量低流量或小泄漏。 图2显示了带有LC传感器的旋转式水表。

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图2:使用LC传感器的基于旋转的流量计

      超声波感测减轻了我上面提到的几个问题。这种传感技术非常精确(<±1%),使用寿命长(> 10年),并且可以轻松检测各种材料并适应介质污染和管道腐蚀的影响。超声波仪表没有活动部件,因此无需重新校准,也无需担心积垢或老化。

      用于流量测量的超声波感应主要计算声音在100kHz至4MHz之间的传播延迟。电子脉冲激发换能器,使它们传输上游和下游声波。上游波和下游波之间的时间差(也称为飞行时间(TOF))给出了实际流速。

      位于流量管内部或外部的一对或多对超声波传感器从测得的TOF中检测流速。图3显示了典型的超声感应概念和换能器在管道中放置的一些拓扑。超声波传感器的选择取决于需要进行流量测量的介质类型。通常,液体传感使用频谱较高的传感器(> 1MHz),而气体介质将使用较低的传感器(<500kHz)。

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图3:流量计的超声波感应示例以及在管道内定位的常见拓扑

      TOF的精度直接转换为流量测量分辨率和精度,通常以皮秒(ps)或纳秒(ns)为单位。其他重要的优点指标包括零流量漂移(ZFD),单次标准偏差(STD),最小和最大可检测流量,流速,体积,绝对(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。

几个标准控制准确性。最常见的是国际标准化组织(ISO)4064,国际大都会组织(OIML)R49和欧洲标准(EN)1434。要达到符合标准的精度,就需要很高的精度。有几种确定TOF的方法,包括时间数字转换,过零检测和使用波形捕获的互相关。

     TI的MSP430FR6047微控制器(MCU)是一种高度集成的片上系统(SoC),用于水流测量,它是使用超声波感应技术量身定制的,用于精确的TOF,并具有新颖的基于ADC的波形捕获功能。图4显示了超声换能器与该MSP430™MCU的简单接口。

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图4:MSP430 MCU接口与管道中的超声流量传感器

      一对超声换能器直接与MSP430FR6047 MCU的集成超声感应子系统外围设备接口。灵活的选件使用高速8MSPS sigma-delta(或delta-sigma)ADC实现对每个传感器的独立激励和响应捕获。捕获波形的进一步处理包括几种数字信号处理算法和功能的组合。 MSP430FR6047 MCU中的波形捕获方法可提供同类最佳的分辨率(<5ps),这是住宅和工业环境中液体和气体传感的突破性系统设计。

    由于大多数超声波水流量计都是电池供电的,因此MSP430FR6047 MCU的超低功耗提供了较长的电池寿命(10年以上),平均电流消耗仅为〜3µA。此外,您可以轻松地将这种体系结构扩展到热量计,热量计只是液体流量的测量值与正向和反向流动之间的温度梯度的乘积。

     用于流量测量的超声波传感具有体积小,成本低,精度和鲁棒性提高,产品使用寿命长以及与智能电网的连通性等优点。

 


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