工业超声波流量计系统原理及解决方案

工业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。

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

本解决方案指南重点关注基于飞行时间原理的超声波流量计。下面的信号链最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1 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。

　　Main Singnal Chain

　　主信号链