使用MAX35101校准超声波流量计中的水流量

MAX35101为时间数字转换器，内置放大器和比较器，旨在为超声波热量表和流量计市场提供完整的模拟前端（AFE）方案。该设备具有 20ps 的时间测量精度和自动差分飞行时间 （TOF） 测量，可简化液体或气体流量的计算。由于流湍流和阀芯体机械设计限制的影响，实际流速测量精度受到限制，只能通过平均、流量补偿和多点校准接近精确精度。本应用笔记重点介绍流量计校准的实际步骤。

介绍

超声波水表中的流量测量对流量计的精度至关重要。所有基于传输时间超声波原理的水表都需要进行某种流量校准。通过部署参考标准流量测量设备，可以在特定的已知流量范围内校准仪表。本应用笔记中用于获得多点补偿曲线的一组测量的校准技术基于可追溯到NIST重量参考系统的电磁参考流量计。每个仪表的校准都是独一无二的，通常由仪表制造商在发货给最终客户之前执行。在下面的示例中，为仪表创建了一条 22 点补偿曲线，然后部署线性插值方法以根据仪表测量的数据产生实际流速。然后，通过将参考仪表流量与系统中的流量进行比较来测量新校准的仪表的精度，其中仪表和参考流量计同时测量单个流量。

为什么需要校准？

已经表明，使用经过时间超声波原理进行流量测量的流量计中始终存在不相同的压电换能器对互易性和零流量校准的影响。2, 3.流体的动态特性（包括粘度）会影响管道中速度的分布，从而产生非线性行为3.工艺温度和压力导致阀芯体机械变形1.通过适当的校准，可以将这些不同影响的不确定性降至最低，从而使单个仪表能够按照全球各种标准机构规定的规格运行。

超声波TOF流量测量原理

典型的超声波TOF水流量计阀芯体如图1所示。

图1.典型的超声波TOF水流量计阀芯体。

对于每种管道尺寸，尺寸 L 和 D 都是唯一的。流阀芯体内反射器表面的布置对于每个仪表制造商来说也是独一无二的。因此，超声波TOF原理基于水中声学信号的TOF。上游TOF比下游TOF长，因为水流速度有助于下游方向的声信号并阻碍上游方向的声信号。可以利用TOF的这种差异来确定流水的速度。

超声波信号在下游方向的声TOF为：

 

t（一>二）= （D/2）/CO+ 升/（CO+ v） + （D/2）/CO

（公式1）

 

超声波信号在上游方向的声学TOF为：

 

t（乙> A）= （D/2）/CO+ 升/（CO+ v） + （D/2）/CO

（公式2）

 

其中：
CO是水中
的声速 v 是水的速度

从等式1中减去等式2并简化结果，然后求解v，得到水的速度：

 

（公式3）

 

然后，通过了解阀芯体流量直径的横截面积来简单地计算水的体积流量：

 

（公式4）

 

这种体积流量测量是使用渡越时间超声波原理确定任何流量系统中的流速的基础。

MAXREFDES70# 高精度、长电池寿命热/流量计的流量校准

概述
MAXREFDES70#是Maxim集成参考设计，内置MAX35101，连接到水流系统，使MAX35101能够实际测量通过仪表阀体的流量。MAX35101的框图如图2所示。

图2.MAX35101时间数字转换器的框图，带模拟前端

该设计由MAX35101与低功耗微控制器配合使用、电池、阀芯主体和传感器组成。MAX35101可以进行自动差分TOF测量。其早期边缘检测功能允许MAX35101在两次测量之间一致地测量过零数据。凭借其测量水温的能力，TOF数据可以补偿不同温度下水中声速的差异。C的实际值O可以计算。MAX35101提供可配置的事件定时模式，运行循环算法，以最小化微处理器交互性并延长电池寿命。实时时钟 （RTC） 提供一种可编程报警和看门狗功能。基于操作码的简单 4 线 SPI 接口允许任何微控制器有效地配置器件以实现其预期测量。板载用户闪存允许MAX35101进行非易失性配置，并提供非易失性能耗数据进行记录。使用MAX35101的MAXREFDES70#的完整系统框图如图3所示。

图3.MAXREFDES70#采用带模拟前端的MAX35101时间数字转换器。

校准MAXREFDES70#所需的数据是通过安装高精度流速基准来收集的。美国国家标准与技术研究院 （NIST） 使用重量法参考系统。这是一个带有收集罐和分流装置的称重系统。该设备是校准系统的一部分，它将流动的水引导到收集罐中，同时触发时钟以确定收集时间。收集的水可以用体积或重量单位来确定。有关这种校准方法的更多信息，请访问NIST网站。

用于获得多点补偿曲线的一组测量的校准技术基于可追溯到NIST重量参考系统的电磁参考流量计。为了满足 II 类水表的 OIML R49/EN14154 规范，流量必须在流量表 Q 以下精度为 ±5%2规格，流量可达 Q 的流量为 ±2%4规范。校准的经验法则是，参考值的精度应是被测单元的四倍。在本练习中，为校准 MAXREFDES70# 选择的参考仪表的流量精度为 ±0.2%，流速为 14 升/小时。必须说明的是，当从MAXREFDES70#和参考仪表获取流量数据时，流量必须处于稳定状态。由于参考仪表和MAXREFDES70#的流量在校准期间是实时比较的，因此系统流量不应随时间变化。参考仪表测量的所有水也必须由MAXREFDES70#测量。

校准程序
每个仪表的校准都是独一无二的，通常由仪表制造商在发货给最终客户之前执行。在本练习中，MAXREFDES70#使用22点补偿曲线进行校准，但通过实验，一组较小的校准点可能足以满足您的应用需求。

如前所述，通过将参考流量计读数（实际）与 MAXREFDES70# 测量流量（测量）进行比较，获取 22 种不同校准流速下的数据。表1显示了这种数据集的示例。选择的校准流速集中在MAXREFDES70#的较低流量范围附近。这是受为什么需要校准？部分中描述的问题影响最大的流量范围。

表 1.收集的校准数据

 

校准点	实际参考（升/小时）	按 MAXREFDES70 测量（升/小时）	增益校正因子
1	0.7171706	1.5	0.47811375
2	1.660545	3	0.553515
3	2.7184669	4.5	0.60410375
4	3.77928	6	0.62988
5	7.9496736	12	0.6624728
6	8.9999931	13.5	0.666666155
7	10.059539	15	0.670635938
8	11.127412	16.5	0.674388627
9	12.202753	18	0.6779307
10	14.372587	21	0.684408913
11	16.562938	24	0.6901224
12	18.768321	27	0.695122988
13	20.983875	30	0.6994625
14	23.205361	33	0.703192763
15	25.429162	36	0.7063656
16	29.872345	42	0.7112463
17	34.296922	48	0.7145192
18	38.696341	54	0.7165989
19	43.074	60	0.7179
20	87.737524	120	0.731146033
21	133.22772	180	0.740153989
22	179.18699	240	0.746612461

 

表1中还包括每个测量参考流速的增益校正因子。该增益校正因子按实际测量÷计算，表示需要应用于MAXREFDES70#测量的流量的增益，以便与参考流量计匹配。该增益因子的曲线如图4所示。

图4.增益校正系数与测得的MAXREFDES70#流速的关系。

MAXREFDES70# 中的固件需要表 1 中的信息才能根据测量的流速计算实际流速。特别是，固件的校准表是测得的MAXREFDES70#流速与增益校正因子的22 x 2阵列。

实际流量计算 实际流量是使用线性插值法计算
的。流量由MAXREFDES70#测量。这是值 vm从公式4。搜索校准表以查找绑定 X 的两个条目。设这两个值为 X0和 X1这样 X1> X > X0.Y 的相应值1和 Y0然后从表示增益校正因子的相邻列中提取。然后，与MAXREFDES70#测量的流速相对应的增益校正因子计算为Y：

Y = Y0+ （Y1， x0） × （vm， y0）/（X1， y0)

然后实际流速计算为 vf:

vf= vm× Y

速率精度
在由MAXREFDES70#和参考流量计测量单个流量的系统中，可以通过将参考仪表流量与MAXREFDES70#流量进行比较来测量新校准的MAXREFDES70#的精度。精度结果如图5所示。

图5.MAXREFDES70# 校准精度。

可以看出，MAXREFDES70#精度从不低于±1%，一直到图5中测得的最小流量12.9 LPH。

结论

超声波流量计的校准需要使用NIST可溯源的参考流量计。MAXREFDES70#的精度只能接近参考流量计的精度。通过正确选择参考流量计和正确的校准程序，MAXREFDES70#可以轻松满足OIML R49 / EN14154水表规范。在本练习中校准的 MAXREFDES70# 在 12.9 LPH 的低流速下精度优于 ±1%。

审核编辑：郭婷