工業超聲波流量計系統原理

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。流量計利用飛行時間或多普勒技術測量流量。

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射時間，由此便可計算流量。這種技術通常需要相對純凈的介質，顆粒量應小于5%。它可以實現優于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生一個多普勒偏移，由此便可確定流量。在實際應用中，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、信號調理、模數轉轉器、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）。

工業超聲波流量計系統設計考慮和主要挑戰

本解決方案指南重點關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用，尤其是具有多對傳感器的應用。除了需要實現較高測量精度以外，這些設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。系統精度與上游和下游飛行時間測量的精度直接相關。因此，一般使用FPGA來控制發射和接收脈沖的時序。此外，必須認真對待發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。此增益需要動態可調以適應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/關式，或者波形發生器。波形發生器通常會增加成本和復雜度，但用戶可以更好地控制輸出信號，實現更精確、更魯棒的流量計設計。

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議。

Main Singnal Chain
主信號鏈