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超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?

發(fā)布時間:2019-06-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】由于超聲波換能器的技術(shù)改進(jìn),使它們更便宜、更精確、尺寸更小,而且隨處可以買到,因此超聲波技術(shù)在流量測量中得到了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的集成模擬電路使得超聲波換能器波形的實時捕獲和處理更加容易,從而可以獲得準(zhǔn)確的TOF信息。
 
由于超聲波換能器的技術(shù)改進(jìn),使它們更便宜、更精確、尺寸更小,而且隨處可以買到,因此超聲波技術(shù)在流量測量中得到了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的集成模擬電路使得超聲波換能器波形的實時捕獲和處理更加容易,從而可以獲得準(zhǔn)確的TOF信息。此外,超聲波流量計更精確,尺寸更小,而且沒有任何活動部件,使其成為制造商更換機(jī)械式流量計的絕佳選擇。然而,制造商仍然要仔細(xì)了解管道設(shè)計和換能器安裝定位,以確保超聲波技術(shù)的所有優(yōu)點在流量測量中得到充分利用。
 
在工業(yè)市場上,半導(dǎo)體芯片組在機(jī)械設(shè)備向機(jī)電或純電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮著巨大作用。每個細(xì)分市場都可分解為許多應(yīng)用,芯片制造商會針對每個應(yīng)用而設(shè)計特定的產(chǎn)品。
 
任何應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步通常都包括一些較小的進(jìn)步,這些技術(shù)進(jìn)步要么是連續(xù)的,要么是同時發(fā)生。例如,應(yīng)用程序的自動化通常需要感測一個或多個參數(shù),然后進(jìn)行處理,最終將導(dǎo)致控制和/或通信。技術(shù)先進(jìn)的傳感器可提高一些參數(shù)規(guī)格,例如更高的性能、更小的尺寸、更低的功耗和成本,以及更高的整體運(yùn)行效率。在處理、控制類型和與外界通信的類似技術(shù)改進(jìn)將進(jìn)一步提高這些參數(shù)規(guī)格。
 
為了使電網(wǎng)更高效、更堅固和更安全,適應(yīng)現(xiàn)代化需求,這方面的努力將使電子設(shè)備使用量的大幅增加,從而為創(chuàng)新、增加功能,以及減小尺寸和成本創(chuàng)造了機(jī)會。節(jié)能運(yùn)動要求將傳統(tǒng)電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)融合,形成互聯(lián)電網(wǎng)。智能儀表是電力和能源領(lǐng)域很不可或缺的部分,這一細(xì)分領(lǐng)域的全球半導(dǎo)體價值每年超過20億美元。智能儀表進(jìn)一步分為電表、水表、燃?xì)獗砗凸┡瘍x表。
 
超聲波或超聲技術(shù)已在一些民用、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域使用了100多年。幾乎每個人在其一生中都會用到醫(yī)療超聲波技術(shù)。然而,其最近的應(yīng)用案例是在工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自動化。我們很驚訝地看到這項技術(shù)在一系列真正多樣化的應(yīng)用中已經(jīng)占據(jù)一席之地。超聲波技術(shù)的無創(chuàng)(無腐蝕性)和非接觸式特性使其成為醫(yī)療、制藥、軍事和工廠應(yīng)用的理想選擇。
 
在工業(yè)和汽車市場,可以發(fā)現(xiàn)超聲波技術(shù)用于距離測量、占用檢測、水平檢測、成分分析、流速測量、停車輔助、著陸輔助和后備箱開啟輔助等。超聲波傳感器也稱為超聲波換能器,可在人類聽不到的頻率之外工作,其工作頻率在20千赫到幾兆赫茲之間。
 
大多數(shù)超聲換能器使用壓電材料制造,當(dāng)施加電脈沖時,就產(chǎn)生機(jī)械振動或超聲波。一些換能器還能夠?qū)C(jī)械振動轉(zhuǎn)換回電能。換能器大致分為三種類型:
•發(fā)送器將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波。
•接收器將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號。
•收發(fā)器可以發(fā)送和接收超聲波。
對接收到的電信號進(jìn)行后加工處理,就可以得到適合工業(yè)或汽車應(yīng)用的相關(guān)的若干分量。其中最常見和最重要的一個分量就是超聲波飛行時間(TOF),它是指超聲波從傳感器發(fā)射到目標(biāo)物體,然后再從物體反射回傳感器的往返時間估計。這是在智能儀表中使用超聲波技術(shù)的基本原理,用來測量用水、煤氣或供暖(無論是侵入式還是非侵入式)的流量,并將消費數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給消費者以方便計費。
 
流量測量是對液體或氣體流量的量化(體積或速度),測量單位類似于升/分鐘(或秒或小時)或平方米/秒。流量計的范圍比較廣泛,從家庭用的簡單公用儀表(煤氣/水/供暖),到有害液體或氣體(石油、采礦、廢水處理、油漆和化學(xué)品等)的工業(yè)儀表或混合器。
 
在結(jié)構(gòu)上,流量計包括傳感器單元、測量單元和控制/通信單元,這每一個單元又可進(jìn)一步分為機(jī)械或電子。圖1比較了構(gòu)成傳感器單元的不同類型的流量計傳感技術(shù)。超聲波類型的流量計具有多個優(yōu)點。
超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?
圖1:液體或氣體流量傳感方法的比較
 
采用TOF或超聲波的流量計通過計算發(fā)射和接收的超聲信號的時間差(傳播延遲)來測量流量。為了將其應(yīng)用于流量測量,設(shè)計人員使用一對相同的收發(fā)器型換能器,分別在上游和下游方向上激勵它們。當(dāng)沿著與流體流動一致的方向傳播時,超聲波傳播得較快,而在與流體流動相反的方向上,超聲波傳播得較慢。因此,需要至少一對換能器,但有些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用更多換能器。
 
圖2示出了超聲波檢測流量的典型概念,可選擇換能器在管道中的放置位置。
 
超聲波傳感器的選擇取決于需要流速測量的介質(zhì)類型。通常,液體傳感使用頻譜中較高頻率的傳感器(> 1 MHz),而氣體介質(zhì)使用頻譜低端(<500 kHz)的傳感器。此外,用于流量測量的超聲波技術(shù)要求任何兩個換能器之間要有一條直接路徑,這需要對容納換能器的流體管道進(jìn)行仔細(xì)的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計。超聲波技術(shù)在有氣泡的情況下不起作用,因為氣泡可能導(dǎo)致超聲信號的顯著衰減。
 
超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?
圖2:流量計的超聲波傳感和管道內(nèi)安裝位置的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例
 
圖3示出了一種通用的管道設(shè)計,換能器放置在底部,有反射材料以確保超聲波信號能夠在換能器(圖中的XDCR1和XDCR2)之間傳播。
 
超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?
圖3:安裝有一對換能器的通用流量管
 
超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?
 
其中Δt是TOF,c是在管道內(nèi)介質(zhì)中傳播的超聲波信號的速度,v是流速,L是管道的傳播長度,T12是上游的傳播時間,T21是下游的傳播時間。
 
有幾種方法可以確定TOF信息,但所有方法都需要能夠處理換能器的輸出。圖4顯示了一種典型輸出。
 
超聲波技術(shù)在智能流量測量中有哪些應(yīng)用?
圖4:超聲換能器受到電激勵時的典型響應(yīng)
 
對這一波形的處理提供了求解方程1和2所需的信息。有幾種方法可以處理波形,其中包括時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)、過零檢測和波形捕獲等。每種方法都各有利弊。
 
芯片供應(yīng)商使用各種架構(gòu)來解決超聲波流量測量問題。有些廠商使用分立模擬元件,后面跟著數(shù)字處理器。其他廠商則試圖將模擬元件集成到數(shù)字處理器中以形成單芯片方案。在波形捕獲方法中,使用快速模擬電路捕獲整個超聲信號,再使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后數(shù)字信號處理算法即可獲得TOF信息。
 
芯片供應(yīng)商使用各種架構(gòu)來解決超聲波流量測量問題。有些廠商使用分立模擬元件,后面跟著數(shù)字處理器。其他廠商則試圖將模擬元件集成到數(shù)字處理器中以形成單芯片方案。在波形捕獲方法中,使用快速模擬電路捕獲整個超聲信號,再使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后數(shù)字信號處理算法即可獲得TOF信息。
 
由于超聲波換能器的技術(shù)改進(jìn),使它們更便宜、更精確、尺寸更小,而且隨處可見,因此超聲波技術(shù)在流量測量中得到了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的集成模擬電路使得超聲波換能器波形的實時捕獲和處理更加容易,從而可以獲得準(zhǔn)確的TOF信息。此外,超聲波流量計更精確,尺寸更小,而且沒有任何活動部件,使其成為制造商更換機(jī)械式流量計的絕佳選擇。然而,制造商仍然要仔細(xì)了解管道設(shè)計和換能器安裝定位,以確保超聲波技術(shù)的所有優(yōu)點在流量測量中得到充分利用。
 
 
 
 
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