用于流量计量的超声传感技术.PDF

用于流量计量的超声 传感技术 Srinivas Lingam MSP430™微控制器系统和 应用工程师 德州仪器 前言 超声传感技术利用超声波的飞行时间（TOF）与管段内介质流速相关，求得超声波顺流和逆 流方向传播的时间差，最终来测量和计算流量。此技术在测量宽流速变化范围时非常出色， 同时能够处理水和油等液体及空气与甲烷等气体。 基于 TOF 的超声波测量方式是根据上游和下游方向超声信号传播时间的差异来测量流速。 超声波在介质流动方向上的传播速度较快，而在逆流动方向时传播速度较慢。无论换能器放 置在管道内还是夹在管道外，此项技术均可正常应用。此测量方式要求在两个换能器之间具 有直接通路，这就需要仔细选择安装换能器的管道机械构造。如果液体中有气泡出现，此项 技术就失去了作用，因为它会对超声波信号造成重大衰减。 由于超声波信号在单一介质与在多种混合介质中的传播速度不同，因此基于 TOF 的超声技 术还可用于分析介质成分。 超声波流量计配置 基于 TOF 的超声波流量计具有两种构造：插入式和 插入式流量计可以呈对角线安装，让传感器直接相 外夹式。插入式流量计属于侵入式，其中传感器安装 对，如图 1 所示。或者，超声波也可以通过管道表面 在管道内并与液体发生接触；外夹式流量计属于非侵 反射从发射传感器到达接收传感器，如下页中图 2 所 入式，其传感器安装在管外表面上，可穿透管壁进行 示。在大口径流量计应用中，通常采用两对换能器，以 声波测量。 提升性能，解决如图 3 所示大口径信号衰减较大的问 题。 图 1. 插入式呈对角线安装的换能器布局 Ultrasonic sensing technology for flow metering 2 2017年9月 图 2. 插入式相互反射的换能器布局   Figure 2. In‐line and reflective transducer placement.  差异会给流速测量带来误差。例如，如下页中图5所 示，水中的声速在 1,420 mps 到 1,540 mps 之间变 1 T12 化，并且本质上既不是线性也不是渐近性的。一般来 说，如果不考虑温度，则会产生超过5%的流速计算误 T21 2 差。为了提高精度，系统将需要安装一个温度传感器。 不过，我们设计一种不需要测量温度的检测方法。这 种方法需要使用上行和下行传播的绝对时间或 TOF 和时间差来计算该介质的流速。   Figure 3. Various configurations of In