有效提升超聲波流量計對于外部噪聲干擾能力的方案分析

 超聲波流量計現(xiàn)在已經(jīng)被**地應用于各種流量測量現(xiàn)場，特別是大管徑的管道測量更能體現(xiàn)其優(yōu)越的測量性能。由于超聲波流量計的流量測量準確性在很大程度上是依賴于系統(tǒng)對超聲波信號的正確識別。電路耦合產(chǎn)生噪聲超過限值時，就極有可能對信號的波形產(chǎn)生破壞，導致測量數(shù)據(jù)的偏差和錯誤，嚴重的甚至造成整個儀器都不能正常工作。
所以說有效的減小噪聲與噪聲拾取是設(shè)計中必須關(guān)注的要點。本文就是針對于超聲波流量計設(shè)計值得改進的方面，比如采取了信號濾波、屏蔽、采用平衡電路等等，以改善了超聲波流量計適應環(huán)境的能力。通過一系列的方法和措施大程度地改善超聲波流量計對于環(huán)境的適應能力。　　
　


一、超聲波流量計概述
　　超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表，目的是解決一些測量困難的問題。超聲波流量計，集計算機和傳感器技術(shù)于一身，將聲學的研究成果與現(xiàn)代電子技術(shù)結(jié)合在一起，可以用于多種液體的測量。
　
二、噪聲的來源分析
　　在超聲波流量計測量系統(tǒng)中，構(gòu)成噪聲源物質(zhì)的類型很多。如：
　?。?）流量計安裝環(huán)境中可能存在的較大的電場和磁場干擾;
　　（2）靠近水泵安裝時的水泵帶來的接近于超聲波信號的噪音;
　?。?）操作人員隨身攜帶的通信系統(tǒng);
　　（4）電源中的高次諧波;
　?。?）電路板上高頻晶體振蕩器所帶來的噪聲干擾。對于從外界來的噪聲干擾源，主要采用降低電路對噪聲的敏感度、減少噪聲拾取、切斷噪聲耦合路徑的辦法解決，而對于來自于系統(tǒng)內(nèi)部，如電路板上的噪聲源，則采取信號地、數(shù)字地分離、多點接地、合理布線的方法解決。
　　典型的噪聲路徑框圖如圖1所示。可以看出，一個噪聲問題的產(chǎn)生必須具備三個要素，*先，必須有噪聲源;其次，必須有對噪聲敏感的接收器;第三，必須有一個將噪聲從源頭傳送到接收器的耦合路徑。因而要解決噪聲問題就必須從這三個方面著手解決。
　　
三、超聲波流量計改良措施
　　3.1 濾波
　　因為超聲波信號的頻率大致為1Mhz，由運放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波器的帶寬較小，大在幾百千赫茲，在這個頻率附近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價又偏高，因此這里采用了簡單易行的由電感和電容組成的LC 濾波器。
　　如圖2所示，由L和C組成并聯(lián)諧振，將諧振頻率設(shè)在1.5MHz，由L1、C1 以及 L2、C2組成串聯(lián)諧振，整個形成T型網(wǎng)路，實現(xiàn)了帶通濾波。
　　除了設(shè)計信號處理中的濾波電路外，對所有進出屏蔽盒的導線都實施了濾波措施。在導線穿透屏蔽體的地方，使用了饋通電容，并且在導線和電路端的地之間又連接了一個短引腳的云母電容。
　　3.2 屏蔽
　　在本次設(shè)計中采用了以鋁為材料的殼體，對處于內(nèi)部的儀器形成電場和磁場的保護層。眾所周知，理想的屏蔽體應是一個封閉的、連續(xù)的導電殼體，沒有開孔和接縫。然而實際使用中卻因為要布線，很難達到真正的屏蔽。通過對屏蔽的不連續(xù)性對磁場感應電流影響的分析，這里沒有采用矩形縫隙走線，而采用了在屏蔽盒多個面上開小孔的策略，并且使進出屏蔽體的導線的屏蔽層都360°連接到屏蔽盒上。這樣做的好處是直接改善了系統(tǒng)對于電場和磁場的忍耐能力，增強了性能。
　　3.3 平衡電路
　　平衡電路是用于產(chǎn)生相同和相反信號的電路，將這些信號送入兩個導線;電路的平衡特性越好，信號的散射就越小;它的噪聲抑制特性也越好。
　　平衡電路抵消干擾信號的能力，是建立在信號波形和幅值嚴格對稱，同、反相端電路增益嚴格一致的基礎(chǔ)上的，理論上，理想的平衡放大器對感應噪聲具有無窮大的抑制比，可以將干擾信號完全抵消，但在實際應用中，平衡電路由于增益誤差等原因，抗干擾能力不可能達到理想值，甚至會產(chǎn)生一些新的失真和噪音。
　　但即使這樣，相對于單端電路只能采用加強屏蔽和進行電源濾波來降低干擾來講，平衡電路仍不失為一種主動式、積極有效的抗干擾措施，在惡劣電磁環(huán)境、長距離傳輸時優(yōu)勢非常明顯。
　
四、文章結(jié)語
在超聲波流量計的設(shè)計和使用過程之中，每一種噪聲都會對其測量精度產(chǎn)生較大影響，按照本文以上所述，通過采用濾波、屏蔽、平衡電路等方式對流量計電路進行了改良，經(jīng)過這一系列改良的產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)場投產(chǎn)，效果很明顯，對于提升流量計的測量精度和穩(wěn)定性有很大的作用。
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