基于TI ToF传感器技术的流量计量电路方案设计

2019年10月11日 作者:Teardown

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:插入式和外夹式。插入式流量计属于侵入式,其中传感器安装在管道内并与液体发生接触;外夹式流量计属于非侵入式,其传感器安装在管外表面上,可穿透管壁进行声波测量。

 

插入式呈对角线安装的换能器布局

插入式流量计可以呈对角线安装,让传感器直接相对,如上图所示。或者,超声波也可以通过管道表面反射从发射传感器到达接收传感器,如下图所示。在大口径流量计应用中,通常采用两对换能器,以提升性能,解决下下图所示大口径信号衰减较大的问题。

 

 

插入式相互反射的换能器布局

 

 

下图展示了一种外夹式传感器的配置,由于超声波需要穿透管道材料,因此会发生更大幅度的信号衰减。

超声波流量计面临的一大主要挑战是需要在每小时几升到上万升的大流速范围内保持精度。在一些应用中,另一个挑战是在 0°C 到 85°C 的温度范围内保证流速精度。由于流体中超声波的速度随流体的温度变化而变化,因此在流体温度发生变化时,传播时间的差异会给流速测量带来误差。一般来说,如果不考虑温度,则会产生超过5%的流速计算误差。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。

1 2

相关文章

tracer