超声波流量计的传感器补偿

本应用说明讨论了如何从液体和气体流量计中使用的超声换能器获得更准确的读数。它描述了一种软件补偿技术，用于克服由于测量设备之间的特征差异而可能不准确的流速读数。

介绍

本应用笔记介绍了一种软件补偿技术，该技术可减少温度范围内的时间失调误差。用于流量测量的超声波换能器在不同设备之间可能存在很大的特性差异。在需要高精度的应用中，如液体和气体流量计，这些差值会在时间数字转换器（如MAX3510x器件）返回的时差测量中产生温度相关偏移。这导致计算出的流速通常与实际流速偏移。

例如，使用500kHz气体传感器进行的零流量恒温实验记录了时间偏移（Δτ） 高达 50ns;从10°C到40°C的失调变化记录高达10ns。

换能器行为假说

MAX3510x器件将激励信号施加到发射传感器。信号是可编程频率和持续时间的方波。换能器通过振动来响应该信号，其振动方式不仅取决于输入频谱（主要是奇次谐波），还取决于内部特性。由此产生的声波包含与声源不同的频谱。

接收传感器也存在类似的情况。接收的声波和接收换能器发出的电频谱也不同。这些差异的总和在时域中表现为动态延迟。

如果两个传感器具有相同的特性，则此延迟误差在两个方向上是相同的。因此，它们将在确定流速所需的增量时间计算期间抵消。然而，已经发现相同型号和制造批次的传感器具有显着不同的机电特性。此外，主要的传感器特性对温度敏感。对于大多数流量测量应用，这些与理想行为的偏差需要按单位进行补偿。

等式 1 以数学方式表示问题，如下所示：

Δτ = (τu + τUE) - (τd + τ德)

哪里

　　Δτ= 从MAX3510x

　　τ进行流量计算所需的时间差测量，TOF_DIFFu= 向上方向

　　τ 的实际飞行时间d= 向下方向

　　τ 的实际飞行时间UE= 向上方向

　　的总时间误差 τ德= 向下方向的总时间误差

在完美匹配的换能器中，τUE = τ德，因此它们不在等式之外。在实际换能器中，第二个方程表明预期τUE - τ德可以通过传感器对的特定温度函数来近似：

ƒ