超聲波流量計的傳感器補償

本應用說明討論了如何從液體和氣體流量計中使用的超聲換能器獲得更準確的讀數(shù)。它描述了一種軟件補償技術，用于克服由于測量設備之間的特征差異而可能不準確的流速讀數(shù)。

介紹

本應用筆記介紹了一種軟件補償技術，該技術可減少溫度范圍內的時間失調誤差。用于流量測量的超聲波換能器在不同設備之間可能存在很大的特性差異。在需要高精度的應用中，如液體和氣體流量計，這些差值會在時間數(shù)字轉換器（如MAX3510x器件）返回的時差測量中產生溫度相關偏移。這導致計算出的流速通常與實際流速偏移。

例如，使用500kHz氣體傳感器進行的零流量恒溫實驗記錄了時間偏移（Δτ） 高達 50ns;從10°C到40°C的失調變化記錄高達10ns。

換能器行為假說

MAX3510x器件將激勵信號施加到發(fā)射傳感器。信號是可編程頻率和持續(xù)時間的方波。換能器通過振動來響應該信號，其振動方式不僅取決于輸入頻譜（主要是奇次諧波），還取決于內部特性。由此產生的聲波包含與聲源不同的頻譜。

接收傳感器也存在類似的情況。接收的聲波和接收換能器發(fā)出的電頻譜也不同。這些差異的總和在時域中表現(xiàn)為動態(tài)延遲。

如果兩個傳感器具有相同的特性，則此延遲誤差在兩個方向上是相同的。因此，它們將在確定流速所需的增量時間計算期間抵消。然而，已經發(fā)現(xiàn)相同型號和制造批次的傳感器具有顯著不同的機電特性。此外，主要的傳感器特性對溫度敏感。對于大多數(shù)流量測量應用，這些與理想行為的偏差需要按單位進行補償。

等式 1 以數(shù)學方式表示問題，如下所示：

Δτ= (τu+τUE) - (τd+τ德)

哪里

Δτ= 從MAX3510x

τ進行流量計算所需的時間差測量，TOF_DIFFu= 向上方向

τ 的實際飛行時間d= 向下方向

τ 的實際飛行時間UE= 向上方向

的總時間誤差 τ德= 向下方向的總時間誤差

在完美匹配的換能器中，τUE=τ德，因此它們不在等式之外。在實際換能器中，第二個方程表明預期τUE-τ德可以通過傳感器對的特定溫度函數(shù)來近似：

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