MAX35101為時(shí)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(jì)市場提供完整的模擬前端（AFE）方案。該設(shè)備具有 20ps 的時(shí)間測量精度和自動(dòng)差分飛行時(shí)間 （TOF） 測量，可簡化液體或氣體流量的計(jì)算。由于流湍流和閥芯體機(jī)械設(shè)計(jì)限制的影響，實(shí)際流速測量精度受到限制，只能通過平均、流量補(bǔ)償和多點(diǎn)校準(zhǔn)接近精確精度。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹流量計(jì)校準(zhǔn)的實(shí)際步驟。

介紹

超聲波水表中的流量測量對(duì)流量計(jì)的精度至關(guān)重要。所有基于傳輸時(shí)間超聲波原理的水表都需要進(jìn)行某種流量校準(zhǔn)。通過部署參考標(biāo)準(zhǔn)流量測量設(shè)備，可以在特定的已知流量范圍內(nèi)校準(zhǔn)儀表。本應(yīng)用筆記中用于獲得多點(diǎn)補(bǔ)償曲線的一組測量的校準(zhǔn)技術(shù)基于可追溯到NIST重量參考系統(tǒng)的電磁參考流量計(jì)。每個(gè)儀表的校準(zhǔn)都是獨(dú)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(diǎn)補(bǔ)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(shí)際流速。然后，通過將參考儀表流量與系統(tǒng)中的流量進(jìn)行比較來測量新校準(zhǔn)的儀表的精度，其中儀表和參考流量計(jì)同時(shí)測量單個(gè)流量。

為什么需要校準(zhǔn)？

已經(jīng)表明，使用經(jīng)過時(shí)間超聲波原理進(jìn)行流量測量的流量計(jì)中始終存在不相同的壓電換能器對(duì)互易性和零流量校準(zhǔn)的影響。2, 3.流體的動(dòng)態(tài)特性（包括粘度）會(huì)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(dǎo)致閥芯體機(jī)械變形1.通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，可以將這些不同影響的不確定性降至最低，從而使單個(gè)儀表能夠按照全球各種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)規(guī)定的規(guī)格運(yùn)行。

超聲波TOF流量測量原理

典型的超聲波TOF水流量計(jì)閥芯體如圖1所示。

圖1.典型的超聲波TOF水流量計(jì)閥芯體。

對(duì)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(duì)于每個(gè)儀表制造商來說也是獨(dú)一無二的。因此，超聲波TOF原理基于水中聲學(xué)信號(hào)的TOF。上游TOF比下游TOF長，因?yàn)樗魉俣扔兄谙掠畏较虻穆曅盘?hào)并阻礙上游方向的聲信號(hào)。可以利用TOF的這種差異來確定流水的速度。

超聲波信號(hào)在下游方向的聲TOF為：

超聲波信號(hào)在上游方向的聲學(xué)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(jì)算水的體積流量：

（公式4）

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

MAXREFDES70# 高精度、長電池壽命熱/流量計(jì)的流量校準(zhǔn)

概述
MAXREFDES70#是Maxim集成參考設(shè)計(jì)，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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的框圖，帶模擬前端

該設(shè)計(jì)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(jìn)行自動(dòng)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(bǔ)償不同溫度下水中聲速的差異。C的實(shí)際值O可以計(jì)算。MAX35101提供可配置的事件定時(shí)模式，運(yùn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 提供一種可編程報(bào)警和看門狗功能?；诓僮鞔a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(shí)現(xiàn)其預(yù)期測量。板載用戶閃存允許MAX35101進(jìn)行非易失性配置，并提供非易失性能耗數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

校準(zhǔn)MAXREFDES70#所需的數(shù)據(jù)是通過安裝高精度流速基準(zhǔn)來收集的。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 使用重量法參考系統(tǒng)。這是一個(gè)帶有收集罐和分流裝置的稱重系統(tǒng)。該設(shè)備是校準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分，它將流動(dòng)的水引導(dǎo)到收集罐中，同時(shí)觸發(fā)時(shí)鐘以確定收集時(shí)間。收集的水可以用體積或重量單位來確定。有關(guān)這種校準(zhǔn)方法的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問NIST網(wǎng)站。

用于獲得多點(diǎn)補(bǔ)償曲線的一組測量的校準(zhǔn)技術(shù)基于可追溯到NIST重量參考系統(tǒng)的電磁參考流量計(jì)。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(dá) Q 的流量為 ±2%4規(guī)范。校準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)法則是，參考值的精度應(yīng)是被測單元的四倍。在本練習(xí)中，為校準(zhǔn) MAXREFDES70# 選擇的參考儀表的流量精度為 ±0.2%，流速為 14 升/小時(shí)。必須說明的是，當(dāng)從MAXREFDES70#和參考儀表獲取流量數(shù)據(jù)時(shí)，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(zhǔn)期間是實(shí)時(shí)比較的，因此系統(tǒng)流量不應(yīng)隨時(shí)間變化。參考儀表測量的所有水也必須由MAXREFDES70#測量。

校準(zhǔn)程序
每個(gè)儀表的校準(zhǔn)都是獨(dú)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(xí)中，MAXREFDES70#使用22點(diǎn)補(bǔ)償曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，但通過實(shí)驗(yàn)，一組較小的校準(zhǔn)點(diǎn)可能足以滿足您的應(yīng)用需求。

如前所述，通過將參考流量計(jì)讀數(shù)（實(shí)際）與 MAXREFDES70# 測量流量（測量）進(jìn)行比較，獲取 22 種不同校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)？部分中描述的問題影響最大的流量范圍。

表 1.收集的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表1中還包括每個(gè)測量參考流速的增益校正因子。該增益校正因子按實(shí)際測量÷計(jì)算，表示需要應(yīng)用于MAXREFDES70#測量的流量的增益，以便與參考流量計(jì)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(guān)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(jì)算實(shí)際流速。特別是，固件的校準(zhǔn)表是測得的MAXREFDES70#流速與增益校正因子的22 x 2陣列。

實(shí)際流量計(jì)算 實(shí)際流量是使用線性插值法計(jì)算
的。流量由MAXREFDES70#測量。這是值 vm從公式4。搜索校準(zhǔn)表以查找綁定 X 的兩個(gè)條目。設(shè)這兩個(gè)值為 X0和 X1這樣 X1> X > X0.Y 的相應(yīng)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(duì)應(yīng)的增益校正因子計(jì)算為Y：

Y = Y0+ （Y1， x0） × （vm， y0）/（X1， y0)

然后實(shí)際流速計(jì)算為 vf:

vf= vm× Y

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

圖5.MAXREFDES70# 校準(zhǔn)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(jì)的校準(zhǔn)需要使用NIST可溯源的參考流量計(jì)。MAXREFDES70#的精度只能接近參考流量計(jì)的精度。通過正確選擇參考流量計(jì)和正確的校準(zhǔn)程序，MAXREFDES70#可以輕松滿足OIML R49 / EN14154水表規(guī)范。在本練習(xí)中校準(zhǔn)的 MAXREFDES70# 在 12.9 LPH 的低流速下精度優(yōu)于 ±1%。

審核編輯：郭婷