超聲波技術(shù)的應(yīng)用

超聲波傳感避免了上述幾個(gè)問(wèn)題。該傳感技術(shù)非常精確（<±1％），具有較長(zhǎng)使用壽命（> 10年），可以方便地檢測(cè)不同成分的液體或氣體，并調(diào)整介質(zhì)和管道腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒(méi)有活動(dòng)部件，因此無(wú)需重新校準(zhǔn)。

用于流量測(cè)量的超聲波頻率范圍為100kHz至4MHz。使用一定頻率的電脈沖信號(hào)激發(fā)超聲波傳感器從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個(gè)對(duì)立的方向在不同時(shí)段發(fā)射聲波并測(cè)量聲波傳輸時(shí)間（記為上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間,TOF）。通過(guò)計(jì)算上下行傳輸時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用來(lái)測(cè)量TOF。下圖所示為簡(jiǎn)易的超聲波測(cè)量原理和一些常見(jiàn)的超聲波傳感器布置撲。超聲波傳感器的選擇取決于待測(cè)流體的介質(zhì)類(lèi)型。通常，待測(cè)流體為液體時(shí)使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測(cè)流體為氣體時(shí)使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。

超聲波測(cè)量原理和常見(jiàn)的超聲波傳感器布置拓?fù)?/span>

TOF測(cè)量的精確度將直接影響流量計(jì)量的分辨率和精度。TOF通常以皮秒（ps）或納秒（ns）計(jì)量，它的主要參數(shù)包括零流量漂移（ZFD）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（STD）、最小和最大可檢測(cè)流量、流量、流速、體積、絕對(duì)值（Abs）TOF和Delta（Δ）TOF。流量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；最常見(jiàn)的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）4064、國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）R49和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）1434。TI的超聲波流量表方案能夠達(dá)到符合標(biāo)準(zhǔn)的高水平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器（MCU）是一款用于液體計(jì)量的高度集成的片上系統(tǒng)（SoC），專(zhuān)門(mén)針對(duì)使用超聲波傳感技術(shù)測(cè)量精確TOF的需求量身定制，具有基于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形捕獲技術(shù)。

 

MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一對(duì)超聲波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(shè)(USS)連接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行獨(dú)立的激勵(lì)和響應(yīng)捕獲。USS再將捕獲的波形采用多種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行下一步處理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技術(shù)和處理方法能夠得到一流的分辨率（<5ps） —— 對(duì)住宅和工業(yè)應(yīng)用中的液體和氣體流量檢測(cè)是一個(gè)突破性系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前大多數(shù)超聲波流量計(jì)都是電池供電的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超聲波流量表解決方案的平均耗電量?jī)H為3 μA，從而能夠達(dá)到10多年的使用壽命。此外，此方案亦可擴(kuò)展到熱量計(jì)。 

用于流量測(cè)量的超聲波傳感集成了以下優(yōu)勢(shì)：尺寸更小、成本更低、精度和穩(wěn)定性提高、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、可與智能電網(wǎng)連接等。