超声波热量表技术系统软件设计与元器件选用
2、换能器换能器是超声波热量表最关键的部件之一,由压电陶瓷片和既能透声,又能保证密封、防水的外壳等组成;功能是一方面能将电信号转换成超声波信号在水中定向传播,另一方面又能将接收到的超声波信号转换为相应的电信号。换能器的性能好坏直接影响到热量表的计量精度,而由于国内材料科学及基础工业与国外存在的一定的差距,目前大部分国产热量表选用的换能器性能较差。特别应提请注意的是耐老化性能。为了保证超声波流量计能有5—10年的使用寿命,国外厂家使用的换能器必须经过强制老化,在出厂前通常都会采取冷热交替方式加载后进行检测,确保长期测试性能不发生超差的变化。国内热量表企业忽略这项十分重要的工作,势必给其产品留下隐患!
在换能器封装上国内厂家有两种做法,一种采用PPS、PSF等热塑树脂封装,另一种是采用不锈钢罩进行封装。认为采用不锈钢罩来密封和发射声波信号,能提高了信号幅值,扩展流量测量下限,增加流量测量量程比,但具体性能差异还需要对比检测。
有的企业关注了超声波换能器的电/声匹配问题,对换能器采用所谓双层匹配技术方案,通过改进换能器压电陶瓷片的匹配层和吸声层,增加了换能器带宽,并减少余震,提高了流量测量的稳定性。
总体来说,国内与国外的热量表企业在超声波热量表换能器及选用技术存在不小差距。除压电陶瓷片的材料配方和制备外;结构上,透声、吸声和密封以及必要的屏蔽接地性能的综合设计有的以偏概全;成对使用的两只换能器参数的一致性或是匹配性没有得到应有的重视;如此等等。应该引起足够的重视。
3、配对温度传感器目前国内各厂家温度传感器基本选用了Pt1000,只有为数不多几家企业在大口径热量表中采用Pt100温度传感器,采用外接电源方式供电。与Pt100和Pt500相比,Pt1000温度传感器信噪比可提高2-10倍。目前国内配对温度传感器的技术相对已经成熟,生产厂家也较多,如久茂、博控、海创、都华、韩通等。
4、计时芯片以德国ACAM公司生产的TDC-GP2为主,该款芯片时间测量精度高,达到到65ps的精度,同时具有高速脉冲发生器,接收信号使能,时钟控制等功能。其次该芯片封装尺寸小,适用于低成本的工业应用领域,尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。
2011年ACAM公司在GP2的基础上推出GP21,它提供了与TDC-GP2pin-to-pin管脚完全兼容的功能,另外还对一些性能进行了提高,双精度模式可达45ps,四精度模式达22ps,并增加了很多扩展的功能。该款芯片呈现出取代GP2的趋势,很多企业也顺应技术发展形式,采用GP21以提高测量精度。但是在采用GP21,提高了时间分辨率的同时,由于其原始设计为过零检测,也提出了如何应对杂波干扰的问题,需要采取包括对信号降噪处理等一定的技术手段真正提高测量的精度和稳定性。
在国内计时器的研发上,北京一家企业已研发出一时间测量电路,据称在计时精度和功耗等方面可代替甚至超过进口计时芯片(GP2)的性能,但还没有做到集成电路专用芯片的程度。
5、电路抗磁干扰设计在“热量表”行业标准中提出热量表应具有一定的抗磁干扰能力,当受到强度不大于100kA/m的磁场干扰时,不影响其计量特性。
但是部分企业不重视该项内容。“热量表”行业标准还要求“在电源电压变化、电快速瞬变、电磁场、电浪涌、工频磁场、静电放电环境条件中,热量表的功能不应改变,热量表应能正常工作”。部分热量表抗电磁干扰能力严重不达标,甚至出现在热量表旁边拨打手机就可导致热量表液晶显示不正常、或者数据丢失的现象。因此一些企业通过抗干扰电路设计,增加保护电路,采用专用元器件和材料等方式,提高了抗磁干扰和抗静电干扰能力,在静电ESD测试,测试电压可达10KV,高于热量表的8KV检测标准。
关于产品选型、材料获取、商务技术合作,请随时与我们联系