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Grundsätze des industriellen Ultraschalldurchflussmessersystems:

Ultraschalldurchflussmesser sind volumetrische Durchflussmesser zur Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten, Gasen oder Dampfen. Sie werden häufig in der Öl-, Gas-, Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwendet. Durchflussmesser verwenden Flugzeit oder Doppler-Technologie zur Durchflussmessung.

Ein Durchflussmesser mit dem Flugzeitprinzip verfügt über ein oder mehrere Paare von Sensoren. Die Messung der Emissionszeit der Ultraschall in beiden Richtungen ermöglicht die Berechnung des Durchflusses. Diese Technik erfordert in der Regel ein relativ reines Medium mit einer Partikelmenge von weniger als 5%. Es kann eine Genauigkeit von mehr als 1% erreichen.

Bei der Doppler-Methode werden die Ultraschalldruckwellen von bewegenden Partikeln in der Flüssigkeit reflektiert. Die Geschwindigkeit dieser Partikel erzeugt eine Doppler-Verschiebung im Echosignal, wodurch der Durchfluss bestimmt werden kann. In der Praxis ist die Genauigkeit dieser Messmethode in der Regel nicht mehr als 3%.

Ultraschalldurchflussmesser umfassen Stromversorgung, Sensorstimulation, Signalkonditionierung, Modulumsetzer, Prozessor, Display, Tastatur und eine Vielzahl von Kommunikationsoptionen (z. B. 4 mA bis 20 mA, HART, RS-485, drahtlos usw.).

Überlegungen und Hauptherausforderungen bei der Konstruktion von industriellen Ultraschalldurchflussmessern:

Der Leitfaden konzentriert sich auf Ultraschalldurchflussmesser auf der Grundlage des Flugzeitprinzips. Die nachstehenden Signalketten eignen sich am besten für Anwendungen mit hoher Leistung, insbesondere bei Anwendungen mit mehreren Sensorpaaren. Neben der Notwendigkeit, eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, haben diese Konstruktionen oft ziemlich strenge Raumbeschränkungen.

Flüssigkeits-Ultraschalldurchflussmesser verwenden in der Regel eine Ultraschallfrequenz von 1 MHz. Die Genauigkeit des Systems hängt direkt von der Genauigkeit der Flugzeitmessungen vor- und nachgelagert ab. Daher wird in der Regel ein FPGA verwendet, um die Zeitreihenfolge des Sendens und Empfangs von Impulsen zu steuern. Darüber hinaus müssen mögliche Abweichungen von Verzögerungen in Sende- und Empfangssignalwegen ernst genommen werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Empfangssignalkette einen hohen Gewinn erfordert. Dieser Verstärkung muss dynamisch einstellbar sein, um sich an verschiedene Strömungsbedingungen und Leitungsgrößen anzupassen, typischerweise im Bereich von 60 dB oder höher und erfordert daher einen geräuscharmen Empfangskettenpfad.

Der Sensorstimulus kann ein Ein-/Ausschaltungsmodus oder ein Wellengenerator sein. Wellenformgeneratoren erhöhen in der Regel die Kosten und die Komplexität, aber die Benutzer können das Ausgangssignal besser steuern und ein präziseres und robusteres Durchflussmesserdesign ermöglichen.

Die Signalverarbeitung erfordert eine große Anzahl an Filtern und FFT-Analysen, um den genauen Zeitstempel des empfangenen Signals zu bestimmen, was mit einem DSP-Prozessor durchgeführt werden kann, der auch die erforderlichen Schnittstellenprotokolle unterstützt.