TOF

Использование ультразвуковой технологии для измерения скорости потока

Новейшая технология ультразвуковых измерений от TI использует АЦП и позволяет интеллектуальным счетчикам потока обеспечивать высокую точность измерений. При этом высокая точность может быть достигнута при сохранении низкого потребления за счет использования микроконтроллеров MSP430FR6047 со встроенным ультразвуковым модулем.
2538
В избранное

Ультразвуковые расходомеры используют зависимость времени пролета ультразвуковой волны (time-of-flight, TOF) от скорости потока для определения объема самого потока. При этом рассчитывается разность времени распространения ультразвука в прямом и обратном направлении. Данная технология отлично подходит для измерения скорости потока в широком диапазоне значений и позволяет работать как с жидкостями, например, водой или маслом, так и с газами, например, воздухом и метаном.

Ультразвуковые измерители на основе TOF определяют скорость потока, основываясь на разнице во времени распространения ультразвуковых сигналов в направлении потока и в обратном направлении. Ультразвуковая волна движется быстрее при распространении в направлении потока и медленнее, при распространении против потока. При использовании такой технологии датчики могут находиться как внутри, так и снаружи трубы. В обоих случаях необходимо обеспечить прямой путь прохождения жидкости (газа) между двумя трансдьюсорами, что требует соответствующей конструкции измерительной трубки, в которой эти трансдьюсоры размещены. Технология не эффективна при наличии пузырьков воздуха, так как они приводят к значительному ослаблению ультразвукового сигнала. Поскольку скорость распространения звука зависит от состава компонентов среды, то ультразвуковая технология на основе TOF также может быть использована для анализа состава потока.

Конструкции измерителей потока

По конструктивному исполнению ультразвуковые расходомеры на основе TOF делятся на два типа: с внутренней и внешней установкой датчиков. В расходомерах с внутренним расположением датчиков трансдьюсоры непосредственно контактируют с потоком жидкости. В расходомерах с внешней установкой датчиков трансдьюсоры размещают на поверхности трубы и не оказывают влияния на поток.

Трансдьюсоры в измерителях могут располагаться по диагонали, находясь в прямой видимости друг от друга, как показано на рисунке 1. Они также могут работать с отраженными волнами, в таком случае ультразвук от передающего трансдьюсора достигает принимающего трансдьюсора только после отражения от рефлекторов, как показано на рисунке 2. Некоторые промышленные счетчики для труб большого диаметра имеют две пары трансдьюсоров для повышения производительности и компенсации значительного затухания, как показано на рисунке 3.

Диагональное размещение трансдьюсоров в расходомере

Рис. 1. Диагональное размещение трансдьюсоров в расходомере

Размещение трансдьюсоров, работающих с отраженной звуковой волной

Рис. 2. Размещение трансдьюсоров, работающих с отраженной звуковой волной

Варианты размещения трансдьюсоров

Рис. 3. Варианты размещения трансдьюсоров

На рисунке 4 показан расходомер с внешним расположением трансдьюсоров. При такой конструкции звуковая волна испытывает повышенное затухание, так как ей требуется пройти через материал трубы.

Размещение трансдьюсоров в расходомерах с внешними датчиками

Рис. 4. Размещение трансдьюсоров в расходомерах с внешними датчиками

Одна из важнейших задач, возникающих при создании ультразвуковых счетчиков, заключается в поддержании высокой точности измерений в широком диапазоне скоростей потока от нескольких литров в час до десятков тысяч литров в час. Другой проблемой становится сохранение точности измерений при различной температуре потока, которая в зависимости от конкретного приложения может находиться в диапазоне от 0 °Cдо 85 °C. Поскольку скорость прохождения ультразвуковой волны изменяется при изменении температуры жидкости, то разница во времени распространения будет приводить к температурной погрешности. Как показано на рисунке 5, температурная зависимость скорости звука в воде не является линейной и колеблется в диапазоне 1420…1540 м/с. В итоге, если не учитывать влияние температуры, это может привести к погрешности измерения скорости потока более чем на 5 процентов. Таким образом, для повышения точности системы необходим датчик температуры.

Температурная зависимость скорости звука в воде

Рис. 5. Температурная зависимость скорости звука в воде

Существует альтернативный подход, позволяющий выполнять измерения без контроля температуры. При этом учитывается не только разность времени пролета в прямом и обратном направлении, но и абсолютное значения времен пролета.

Преимущества использования аналогово-цифровых преобразователей (АЦП)

Существует несколько способов измерения разницы времен пролета в прямом и обратном направлении. В первом случае применяется время-цифровой преобразователь (time-to-digital converted, TDC). Второй способ подразумевает использование цифро-аналогового преобразователя для оцифровки сигналов, принятых трансдьюсорами, с их последующей корреляцией.

В методе, использующем TDC, фиксируются только точки пересечения сигналом заданного нулевого порога, как показано на рисунке 6.

Измерение времени пролета с использованием время-цифрового преобразователя

Рис. 6. Измерение времени пролета с использованием время-цифрового преобразователя

При использовании АЦП, прямая и обратная волны, принимаемые трансдьюсорами, оцифровываются и сохраняются целиком. Дальнейшая цифровая пост-обработка формы сигналов определяет дифференциальное значение TOF.

Применение АЦП имеет принципиальные преимущества по сравнению с использованием TDC:

  • Дополнительное шумоподавление. Корреляция сигналов обеспечивает дополнительную низкочастотную фильтрацию, подавляя шумы. Эту функцию эффективно выполняет малопотребляющий микроконтроллер MSP430FR6047 от Texas Instruments. Рассматриваемый метод приводит к уменьшению шумов в 3-4 раза. Корреляция также подавляет линейный шум.
  • Устойчивость к изменениям амплитуды сигнала. Алгоритм, основанный на корреляции, нечувствителен к изменению амплитуды принимаемого сигнала, разбросу параметров трансдьюсоров и к колебаниям температуры. Изменение амплитуды сигнала часто наблюдается при высоких скоростях потока. Устойчивость является значительным преимуществом, так как характеристики трансдьюсоров ухудшаются с течением времени, а срок службы счетчика может превышать 10 лет.
  • Возможность построения огибающей принимаемого сигнала. Доступность информации об амплитуде позволяет подстраивать частоты трансдьюсоров. Кроме того, контроль огибающей обеспечивает фиксацию изменений характеристик трансдьюсоров из-за старения. Применение АЦП позволяет выполнять автоматическую подстройку усиления (automatic gain control, AGC) для повышения амплитуды сигнала, если коэффициент усиления трансдьюсора уменьшается с течением времени. Таким образом, производительность системы сохраняется, даже несмотря на старение трансдьюсоров.

На рисунке 7 представлена блок-схема измерителя на базе АЦП, который обеспечивает необходимую передискретизацию при оцифровке сигналов.

Блок-схема измерителя на базе АЦП

Рис. 7. Блок-схема измерителя на базе АЦП

Измерение абсолютного времени пролета TOF

Измерение абсолютного времени пролета TOF устраняет необходимость использования температурного датчика и вычисления скорости звука в воде. Существует несколько способов точного измерения абсолютного значения TOF. Один из способов заключается в расчете огибающей принятого сигнала и определении точки, в которой огибающая принимает заданное пороговое значение.

Абсолютное значение TOF будет определяться временем смещения точки пересечения порогового значения, как показано на рисунке 8.

АЦП позволяет построить огибающую сигнала для измерения абсолютного времени пролета TOF

Рис. 8. АЦП позволяет построить огибающую сигнала для измерения абсолютного времени пролета TOF. Увеличенное изображение представлено на нижнем рисунке

Ультразвуковой модуль микроконтроллера MSP430FR6047

В состав микроконтроллера MCP430™ входит ультразвуковой аналоговый модуль USS (ultrasonic-sensing solution). Благодаря его функционалу удается создавать высокоэффективные ультразвуковые расходомеры. При этом USS работает независимо от центрального процессора MCP430™. На рисунке 9 показана блок-схема данного модуля. USS включает в себя универсальный источник питания (UUPS), мощный секвенсор (PSQ), программируемый импульсный генератор (PPG), драйвер и цепь согласования импеданса (PHY), программируемый усилитель (PGA), блок высокоскоростной фазовой автоподстройки (HSPLL), высокоскоростной сигма-дельта АЦП (SDHS) и секвенсор сбора данных (ASQ).

Встроенный ультразвуковой модуль USS использует собственную систему питания, и может быть включен и выключен независимо от других блоков микроконтроллера MCP430FR6047. Его также можно перезагрузить, не затрагивая ни один из других модулей микроконтроллера.

Согласование импеданса в ультразвуковом модуле имеет решающее значение для получения минимального дрейфа при измерении разницы времени пролета TOF с течением времени и при любых колебаниях температуры воды. Это также позволяет работать с очень низкими скоростями потока.

Функциональная блок-схема ультразвукового модуля USS

Рис. 9. Функциональная блок-схема ультразвукового модуля USS

Вывод

Новейшая технология ультразвуковых измерений от TI использует АЦП и позволяет интеллектуальным счетчикам потока обеспечивать высокую точность измерений. При этом высокая точность может быть достигнута при сохранении низкого потребления за счет использования микроконтроллеров MSP430FR6047 со встроенным ультразвуковым модулем.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MSP430FR60471IPZ
MSP430FR60471IPZ
Texas Instruments
Арт.: 2635404 PDF AN RD
Поиск
предложений
MSP430FR60471IPZ от 10 шт. от 3569,02
-
Поиск
предложений
MSP430FR60471IPZR
MSP430FR60471IPZR
Texas Instruments
Арт.: 2635405 PDF AN RD
Поиск
предложений
MSP430FR60471IPZR от 10 шт. от 3389,94
-
Поиск
предложений
MSP430FR6047IPZ
MSP430FR6047IPZ
Texas Instruments
Арт.: 2635406 PDF AN RD
Поиск
предложений
MSP430FR6047IPZ от 10 шт. от 3569,02
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()