有效提升超声波流量计对于外部噪声干扰能力的方案分析

超声波流量计现在已经被广泛地应用于各种流量测量现场，特别是大管径的管道测量更能体现其优越的测量性能。由于超声波流量计的流量测量准确性在很大程度上是依赖于系统对超声波信号的正确识别。电路耦合产生噪声超过限值时，就极有可能对信号的波形产生破坏，导致测量数据的偏差和错误，严重的甚至造成整个仪器都不能正常工作。
所以说有效的减小噪声与噪声拾取是设计中必须关注的要点。本文就是针对于超声波流量计设计值得改进的方面，比如采取了信号滤波、屏蔽、采用平衡电路等等，以改善了超声波流量计适应环境的能力。通过一系列的方法和措施最大程度地改善超声波流量计对于环境的适应能力。　　
　


一、超声波流量计概述
　　超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。超声波流量计，集计算机和传感器技术于一身，将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起，可以用于多种液体的测量。
　
二、噪声的来源分析
　　在超声波流量计测量系统中，构成噪声源物质的类型很多。如：
　　（1）流量计安装环境中可能存在的较大的电场和磁场干扰;
　　（2）靠近水泵安装时的水泵带来的接近于超声波信号的噪音;
　　（3）操作人员随身携带的通信系统;
　　（4）电源中的高次谐波;
　　（5）电路板上高频晶体振荡器所带来的噪声干扰。对于从外界来的噪声干扰源，主要采用降低电路对噪声的敏感度、减少噪声拾取、切断噪声耦合路径的办法解决，而对于来自于系统内部，如电路板上的噪声源，则采取信号地、数字地分离、多点接地、合理布线的方法解决。
　　典型的噪声路径框图如图1所示。可以看出，一个噪声问题的产生必须具备三个要素，首先，必须有噪声源;其次，必须有对噪声敏感的接收器;第三，必须有一个将噪声从源头传送到接收器的耦合路径。因而要解决噪声问题就必须从这三个方面着手解决。
　　
三、超声波流量计改良措施
　　3.1 滤波
　　因为超声波信号的频率大致为1Mhz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽较小，最大在几百千赫兹，在这个频率附近不易采用，而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高，因此这里采用了简单易行的由电感和电容组成的LC 滤波器。
　　如图2所示，由L和C组成并联谐振，将谐振频率设在1.5MHz，由L1、C1 以及 L2、C2组成串联谐振，整个形成T型网路，实现了带通滤波。
　　除了设计信号处理中的滤波电路外，对所有进出屏蔽盒的导线都实施了滤波措施。在导线穿透屏蔽体的地方，使用了馈通电容，并且在导线和电路端的地之间又连接了一个短引脚的云母电容。
　　3.2 屏蔽
　　在本次设计中采用了以铝为材料的壳体，对处于内部的仪器形成电场和磁场的保护层。众所周知，理想的屏蔽体应是一个封闭的、连续的导电壳体，没有开孔和接缝。然而实际使用中却因为要布线，很难达到真正的屏蔽。通过对屏蔽的不连续性对磁场感应电流影响的分析，这里没有采用矩形缝隙走线，而采用了在屏蔽盒多个面上开小孔的策略，并且使进出屏蔽体的导线的屏蔽层都360°连接到屏蔽盒上。这样做的好处是直接改善了系统对于电场和磁场的忍耐能力，增强了性能。
　　3.3 平衡电路
　　平衡电路是用于产生相同和相反信号的电路，将这些信号送入两个导线;电路的平衡特性越好，信号的散射就越小;它的噪声抑制特性也越好。
　　平衡电路抵消干扰信号的能力，是建立在信号波形和幅值严格对称，同、反相端电路增益严格一致的基础上的，理论上，理想的平衡放大器对感应噪声具有无穷大的抑制比，可以将干扰信号完全抵消，但在实际应用中，平衡电路由于增益误差等原因，抗干扰能力不可能达到理想值，甚至会产生一些新的失真和噪音。
　　但即使这样，相对于单端电路只能采用加强屏蔽和进行电源滤波来降低干扰来讲，平衡电路仍不失为一种主动式、积极有效的抗干扰措施，在恶劣电磁环境、长距离传输时优势非常明显。
　
四、文章结语
在超声波流量计的设计和使用过程之中，每一种噪声都会对其测量精度产生较大影响，按照本文以上所述，通过采用滤波、屏蔽、平衡电路等方式对流量计电路进行了改良，经过这一系列改良的产品已经在现场投产，效果很明显，对于提升流量计的测量精度和稳定性有很大的作用。