有效提升超聲波流量計(jì)對(duì)于外部噪聲干擾能力的方案分析

超聲波流量計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(jì)的流量測量準(zhǔn)確性在很大程度上是依賴于系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)的正確識(shí)別。電路耦合產(chǎn)生噪聲超過限值時(shí)，就極有可能對(duì)信號(hào)的波形產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的偏差和錯(cuò)誤，嚴(yán)重的甚至造成整個(gè)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(jì)中必須關(guān)注的要點(diǎn)。本文就是針對(duì)于超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)值得改進(jìn)的方面，比如采取了信號(hào)濾波、屏蔽、采用平衡電路等等，以改善了超聲波流量計(jì)適應(yīng)環(huán)境的能力。通過一系列的方法和措施最大程度地改善超聲波流量計(jì)對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力?！　?br />　


一、超聲波流量計(jì)概述
　　超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動(dòng)對(duì)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(jì)，集計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)于一身，將聲學(xué)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(jì)測量系統(tǒng)中，構(gòu)成噪聲源物質(zhì)的類型很多。如：
　?。?）流量計(jì)安裝環(huán)境中可能存在的較大的電場和磁場干擾;
　?。?）靠近水泵安裝時(shí)的水泵帶來的接近于超聲波信號(hào)的噪音;
　?。?）操作人員隨身攜帶的通信系統(tǒng);
　?。?）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(duì)于從外界來的噪聲干擾源，主要采用降低電路對(duì)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(duì)于來自于系統(tǒng)內(nèi)部，如電路板上的噪聲源，則采取信號(hào)地、數(shù)字地分離、多點(diǎn)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(gè)噪聲問題的產(chǎn)生必須具備三個(gè)要素，首先，必須有噪聲源;其次，必須有對(duì)噪聲敏感的接收器;第三，必須有一個(gè)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(gè)方面著手解決。
　　
三、超聲波流量計(jì)改良措施
　　3.1 濾波
　　因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為1Mhz，由運(yùn)放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波器的帶寬較小，最大在幾百千赫茲，在這個(gè)頻率附近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價(jià)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(gè)形成T型網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。
　　除了設(shè)計(jì)信號(hào)處理中的濾波電路外，對(duì)所有進(jìn)出屏蔽盒的導(dǎo)線都實(shí)施了濾波措施。在導(dǎo)線穿透屏蔽體的地方，使用了饋通電容，并且在導(dǎo)線和電路端的地之間又連接了一個(gè)短引腳的云母電容。
　　3.2 屏蔽
　　在本次設(shè)計(jì)中采用了以鋁為材料的殼體，對(duì)處于內(nèi)部的儀器形成電場和磁場的保護(hù)層。眾所周知，理想的屏蔽體應(yīng)是一個(gè)封閉的、連續(xù)的導(dǎo)電殼體，沒有開孔和接縫。然而實(shí)際使用中卻因?yàn)橐季€，很難達(dá)到真正的屏蔽。通過對(duì)屏蔽的不連續(xù)性對(duì)磁場感應(yīng)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(gè)面上開小孔的策略，并且使進(jìn)出屏蔽體的導(dǎo)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(duì)于電場和磁場的忍耐能力，增強(qiáng)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(hào)的電路，將這些信號(hào)送入兩個(gè)導(dǎo)線;電路的平衡特性越好，信號(hào)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(hào)的能力，是建立在信號(hào)波形和幅值嚴(yán)格對(duì)稱，同、反相端電路增益嚴(yán)格一致的基礎(chǔ)上的，理論上，理想的平衡放大器對(duì)感應(yīng)噪聲具有無窮大的抑制比，可以將干擾信號(hào)完全抵消，但在實(shí)際應(yīng)用中，平衡電路由于增益誤差等原因，抗干擾能力不可能達(dá)到理想值，甚至?xí)a(chǎn)生一些新的失真和噪音。
　　但即使這樣，相對(duì)于單端電路只能采用加強(qiáng)屏蔽和進(jìn)行電源濾波來降低干擾來講，平衡電路仍不失為一種主動(dòng)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(shí)優(yōu)勢非常明顯。
　
四、文章結(jié)語
在超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)和使用過程之中，每一種噪聲都會(huì)對(duì)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(duì)流量計(jì)電路進(jìn)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(duì)于提升流量計(jì)的測量精度和穩(wěn)定性有很大的作用。