MAX35101為時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置放大器和比較器，旨在為超聲波熱量表和流量計市場提供完整的模擬前端（AFE）方案。該設備具有 20ps 的時間測量精度和自動差分飛行時間 （TOF） 測量，可簡化液體或氣體流量的計算。由于流湍流和閥芯體機械設計限制的影響，實際流速測量精度受到限制，只能通過平均、流量補償和多點校準接近精確精度。本應用筆記重點介紹流量計校準的實際步驟。

介紹

超聲波水表中的流量測量對流量計的精度至關重要。所有基于傳輸時間超聲波原理的水表都需要進行某種流量校準。通過部署參考標準流量測量設備，可以在特定的已知流量范圍內(nèi)校準儀表。本應用筆記中用于獲得多點補償曲線的一組測量的校準技術基于可追溯到NIST重量參考系統(tǒng)的電磁參考流量計。每個儀表的校準都是獨一無二的，通常由儀表制造商在發(fā)貨給最終客戶之前執(zhí)行。在下面的示例中，為儀表創(chuàng)建了一條 22 點補償曲線，然后部署線性插值方法以根據(jù)儀表測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生實際流速。然后，通過將參考儀表流量與系統(tǒng)中的流量進行比較來測量新校準的儀表的精度，其中儀表和參考流量計同時測量單個流量。

為什么需要校準？

已經(jīng)表明，使用經(jīng)過時間超聲波原理進行流量測量的流量計中始終存在不相同的壓電換能器對互易性和零流量校準的影響。2, 3.流體的動態(tài)特性（包括粘度）會影響管道中速度的分布，從而產(chǎn)生非線性行為3.工藝溫度和壓力導致閥芯體機械變形1.通過適當?shù)男剩梢詫⑦@些不同影響的不確定性降至最低，從而使單個儀表能夠按照全球各種標準機構規(guī)定的規(guī)格運行。

超聲波TOF流量測量原理

典型的超聲波TOF水流量計閥芯體如圖1所示。

圖1.典型的超聲波TOF水流量計閥芯體。

對于每種管道尺寸，尺寸 L 和 D 都是唯一的。流閥芯體內(nèi)反射器表面的布置對于每個儀表制造商來說也是獨一無二的。因此，超聲波TOF原理基于水中聲學信號的TOF。上游TOF比下游TOF長，因為水流速度有助于下游方向的聲信號并阻礙上游方向的聲信號。可以利用TOF的這種差異來確定流水的速度。

超聲波信號在下游方向的聲TOF為：

超聲波信號在上游方向的聲學TOF為：

其中：
CO是水中
的聲速 v 是水的速度

從等式1中減去等式2并簡化結(jié)果，然后求解v，得到水的速度：

（公式3）

然后，通過了解閥芯體流量直徑的橫截面積來簡單地計算水的體積流量：

（公式4）

這種體積流量測量是使用渡越時間超聲波原理確定任何流量系統(tǒng)中的流速的基礎。

MAXREFDES70# 高精度、長電池壽命熱/流量計的流量校準

概述
MAXREFDES70#是Maxim集成參考設計，內(nèi)置MAX35101，連接到水流系統(tǒng)，使MAX35101能夠?qū)嶋H測量通過儀表閥體的流量。MAX35101的框圖如圖2所示。

圖2.MAX35101時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的框圖，帶模擬前端

該設計由MAX35101與低功耗微控制器配合使用、電池、閥芯主體和傳感器組成。MAX35101可以進行自動差分TOF測量。其早期邊緣檢測功能允許MAX35101在兩次測量之間一致地測量過零數(shù)據(jù)。憑借其測量水溫的能力，TOF數(shù)據(jù)可以補償不同溫度下水中聲速的差異。C的實際值O可以計算。MAX35101提供可配置的事件定時模式，運行循環(huán)算法，以最小化微處理器交互性并延長電池壽命。實時時鐘 （RTC） 提供一種可編程報警和看門狗功能。基于操作碼的簡單 4 線 SPI 接口允許任何微控制器有效地配置器件以實現(xiàn)其預期測量。板載用戶閃存允許MAX35101進行非易失性配置，并提供非易失性能耗數(shù)據(jù)進行記錄。使用MAX35101的MAXREFDES70#的完整系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3.MAXREFDES70#采用帶模擬前端的MAX35101時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

校準MAXREFDES70#所需的數(shù)據(jù)是通過安裝高精度流速基準來收集的。美國國家標準與技術研究院 （NIST） 使用重量法參考系統(tǒng)。這是一個帶有收集罐和分流裝置的稱重系統(tǒng)。該設備是校準系統(tǒng)的一部分，它將流動的水引導到收集罐中，同時觸發(fā)時鐘以確定收集時間。收集的水可以用體積或重量單位來確定。有關這種校準方法的更多信息，請訪問NIST網(wǎng)站。

用于獲得多點補償曲線的一組測量的校準技術基于可追溯到NIST重量參考系統(tǒng)的電磁參考流量計。為了滿足 II 類水表的 OIML R49/EN14154 規(guī)范，流量必須在流量表 Q 以下精度為 ±5%2規(guī)格，流量可達 Q 的流量為 ±2%4規(guī)范。校準的經(jīng)驗法則是，參考值的精度應是被測單元的四倍。在本練習中，為校準 MAXREFDES70# 選擇的參考儀表的流量精度為 ±0.2%，流速為 14 升/小時。必須說明的是，當從MAXREFDES70#和參考儀表獲取流量數(shù)據(jù)時，流量必須處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于參考儀表和MAXREFDES70#的流量在校準期間是實時比較的，因此系統(tǒng)流量不應隨時間變化。參考儀表測量的所有水也必須由MAXREFDES70#測量。

校準程序
每個儀表的校準都是獨一無二的，通常由儀表制造商在發(fā)貨給最終客戶之前執(zhí)行。在本練習中，MAXREFDES70#使用22點補償曲線進行校準，但通過實驗，一組較小的校準點可能足以滿足您的應用需求。

如前所述，通過將參考流量計讀數(shù)（實際）與 MAXREFDES70# 測量流量（測量）進行比較，獲取 22 種不同校準流速下的數(shù)據(jù)。表1顯示了這種數(shù)據(jù)集的示例。選擇的校準流速集中在MAXREFDES70#的較低流量范圍附近。這是受為什么需要校準？部分中描述的問題影響最大的流量范圍。

表 1.收集的校準數(shù)據(jù)

表1中還包括每個測量參考流速的增益校正因子。該增益校正因子按實際測量÷計算，表示需要應用于MAXREFDES70#測量的流量的增益，以便與參考流量計匹配。該增益因子的曲線如圖4所示。

圖4.增益校正系數(shù)與測得的MAXREFDES70#流速的關系。

MAXREFDES70# 中的固件需要表 1 中的信息才能根據(jù)測量的流速計算實際流速。特別是，固件的校準表是測得的MAXREFDES70#流速與增益校正因子的22 x 2陣列。

實際流量計算 實際流量是使用線性插值法計算
的。流量由MAXREFDES70#測量。這是值 vm從公式4。搜索校準表以查找綁定 X 的兩個條目。設這兩個值為 X0和 X1這樣 X1> X > X0.Y 的相應值1和 Y0然后從表示增益校正因子的相鄰列中提取。然后，與MAXREFDES70#測量的流速相對應的增益校正因子計算為Y：

Y = Y0+ （Y1， x0） × （vm， y0）/（X1， y0)

然后實際流速計算為 vf:

vf= vm× Y

速率精度
在由MAXREFDES70#和參考流量計測量單個流量的系統(tǒng)中，可以通過將參考儀表流量與MAXREFDES70#流量進行比較來測量新校準的MAXREFDES70#的精度。精度結(jié)果如圖5所示。

圖5.MAXREFDES70# 校準精度。

可以看出，MAXREFDES70#精度從不低于±1%，一直到圖5中測得的最小流量12.9 LPH。

結(jié)論

超聲波流量計的校準需要使用NIST可溯源的參考流量計。MAXREFDES70#的精度只能接近參考流量計的精度。通過正確選擇參考流量計和正確的校準程序，MAXREFDES70#可以輕松滿足OIML R49 / EN14154水表規(guī)范。在本練習中校準的 MAXREFDES70# 在 12.9 LPH 的低流速下精度優(yōu)于 ±1%。

審核編輯：郭婷