Diseño de medidor de flujo ultrasónico con método de diferencia de tiempo

Resumen: La información de diseño del caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo es proporcionada por excelentes fabricantes de caudalímetros. En los últimos años, los caudalímetros ultrasónicos se han utilizado ampliamente gracias a su tecnología sin contacto y a su insensibilidad a las propiedades físicas y químicas de los fluidos. Para el caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo, la medición precisa del tiempo de propagación ultrasónica es clave para mejorar la precisión de la medición. Actualmente, más fabricantes de caudalímetros seleccionan modelos y ofrecen cotizaciones. Le invitamos a consultar. A continuación, se detallan los detalles del diseño del caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo. En los últimos años, los caudalímetros ultrasónicos se han utilizado ampliamente gracias a su tecnología sin contacto y a su insensibilidad a las propiedades físicas y químicas de los fluidos. Para el caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo, la medición precisa del tiempo de propagación ultrasónica es clave para mejorar la precisión de la medición. Dado que la precisión actual del chip de medición de tiempo ha alcanzado el nivel ps, la clave para mejorar la precisión de la medición del tiempo reside en determinar con precisión la onda ultrasónica en el momento en que alcanza la forma. La forma de onda de la señal ultrasónica es crucial para determinar con precisión el tiempo de llegada de la onda ultrasónica. Bajo esta premisa, este artículo diseña un caudalímetro ultrasónico de diferencia temporal e introduce la idea de diseño de su circuito de implementación de hardware. 1. Principio de medición. El método de diferencia temporal permite determinar la velocidad del flujo según la relación entre la diferencia temporal de propagación entre el flujo directo e inverso de las ondas ultrasónicas en el fluido y la velocidad del fluido medido. En esencia, la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el fluido se ve afectada por el flujo del fluido, y el tiempo medido será diferente en el flujo directo e inverso. El diagrama esquemático se muestra en la Figura 1: el ángulo de instalación del transductor de contracorriente y el transductor de aguas abajo con respecto al eje de la tubería es θ, el diámetro de la tubería es D, la distancia lineal entre los dos transductores es L y la velocidad del fluido es v. Fig. 1 El principio de funcionamiento del caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo Al medir, el transductor de contracorriente y el transductor de aguas abajo se utilizan alternativamente como extremos de recepción y transmisión ultrasónicos. La velocidad de propagación real c0 de la onda ultrasónica es la velocidad del sonido c y el componente de velocidad vcos del fluido en la dirección del canal θSuma: c0=c±vcosθ (1) En este momento, el tiempo de propagación del flujo directo e inverso es: (2) De la fórmula anterior, la diferencia de tiempo entre el flujo directo e inverso se puede obtener como: (3) Dado que la velocidad de flujo máxima medible del caudalímetro ultrasónico general es de aproximadamente 10 m/s, y la velocidad de propagación del sonido en el fluido es de aproximadamente 1500 m/s, que es mucho mayor que la velocidad del fluido, la diferencia de tiempo entre el flujo directo e inverso se puede aproximar como: (4) En consecuencia, la velocidad del flujo del fluido y la fórmula del flujo se pueden expresar de la siguiente manera: (5) (6) Se puede ver a partir de la fórmula (5) que la onda ultrasónica es flujo directo e inverso. La precisión de la medición del tiempo de propagación afecta directamente la precisión de la medición y el rango de medición de la velocidad del flujo. 2 Diseño de hardware del sistema El diagrama de la estructura del hardware del sistema se muestra en la Figura 2. Figura 2 Diagrama de la estructura del hardware del sistema El hardware del sistema incluye principalmente el módulo de fuente de alimentación, el módulo transceptor de señales, el módulo de procesamiento de señales, el módulo de medición del chip de temporización, el módulo del microprocesador MSP430F1612 y el módulo de adquisición de datos del sistema. A continuación, se presenta brevemente el diseño del circuito de varios módulos importantes. 2.1 Diseño del circuito del módulo de procesamiento de señales Como se muestra en el diagrama de la estructura del hardware del sistema en la Figura 2, el módulo de procesamiento de señales incluye cinco enlaces: amplificación de primera etapa, amplificación de ganancia controlable de segunda etapa, filtrado paso banda, rectificación de media onda y comparación de umbral. Entre ellos, la amplificación de primera etapa y el filtrado paso banda se construyen con el amplificador operacional OPA2725. El circuito rectificador de media onda está compuesto de diodos y resistencias. El amplificador de ganancia controlable de segunda etapa se realiza mediante el amplificador de ganancia controlado por voltaje VCA822. Se comparan estos cuatro circuitos de enlace Es simple, por lo que a continuación se presenta principalmente la estructura específica del circuito de comparación de umbral. El circuito de comparación de umbral se muestra en la Figura 3. El comparador utiliza el chip AD8611 de AnalogDevices, con un retardo de propagación de 4 ns. Cuando la amplitud de la señal de entrada supera el nivel de referencia, el terminal de salida QA emite un nivel alto, y cuando es inferior, un nivel bajo. Por lo tanto, al conectar la señal ultrasónica a procesar al puerto de entrada y añadir un nivel de referencia, se pueden generar una serie de señales de onda cuadrada comparadas. El tiempo de flanco ascendente y descendente de la señal de onda cuadrada corresponde al tiempo de llegada de la señal ultrasónica. El nivel de referencia requerido por el comparador lo proporciona el circuito de umbral. Este circuito está formado por un amplificador de instrumentación y un amplificador operacional. El amplificador de instrumentación es un amplificador de instrumentación de alta precisión IN114 con una ganancia de . Figura 3. Circuito de comparación de umbrales 2.2 Diseño del circuito del módulo de medición del chip de temporización. La señal de onda cuadrada obtenida tras pasar por el módulo de procesamiento de señales incluye la señal de tiempo que el sistema necesita registrar, y estos puntos de tiempo se registran con precisión y se proporcionan al microprocesador para su posterior análisis, juicio y análisis. Los cálculos son una parte crítica de la medición de caudal del sistema. Por lo tanto, se debe seleccionar un chip de temporización con alta precisión de medición y rápida velocidad de respuesta. En este documento, se selecciona el chip de medición de tiempo de alta precisión TDC-GP2 para realizar la temporización. TDC-GP2 tiene funciones como generador de pulsos de alta velocidad, habilitación de señal de parada y control de reloj. Estos módulos funcionales lo hacen cumplir diversos requisitos de medición de caudalímetros ultrasónicos. Dado que TDC-GP2 se necesita aquí para medir el momento del borde de la señal de onda cuadrada, incluyendo los bordes ascendentes y descendentes, se necesitan dos chips de tiempo TDC-GP2 para medir el tiempo. Un TDC-GP2 está configurado para disparar en el borde ascendente, y el otro está configurado para el disparo en el borde descendente, midiendo los primeros tres momentos del borde ascendente y los primeros tres momentos del borde descendente de la señal de onda cuadrada, respectivamente. El diseño de su circuito de aplicación se muestra en la Figura 4. Figura 4: Circuito de medición con chip de sincronización. Este artículo contiene todo lo anterior. Le invitamos a consultar sobre la selección y cotización de caudalímetros en nuestra fábrica. "Diseño de caudalímetro ultrasónico de diferencia de tiempo".

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