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超聲波技術已在民用(yong)、醫(yi)療和(he)軍事(shi)應用(yong)中(zhong)有上百年的歷史。幾乎每個(ge)人都(dou)經歷過醫(yi)療超聲波(bo)技術(如(ru)B超)。目前，最新(xin)的超聲波(bo)應用(yong)已發展到工業和(he)汽車市(shi)場(chang)的自動(dong)化(hua)中(zhong)。

超聲波(bo)技(ji)術的非(fei)接觸性(xing)質使其(qi)成為醫療、制(zhi)藥、軍事和工廠用途(tu)的絕佳選擇(ze)。此外，其(qi)操作環境也大大超出人們所了(le)解的范圍。

流量計量是以每小(xiao)時升(lph)或(huo)(huo)加(jia)侖/分(fen)鐘(zhong)(gpm)為(wei)單(dan)位(wei)測量液(ye)體(ti)或(huo)(huo)氣(qi)體(ti)的(de)流(liu)量。流(liu)量計(ji)(ji)(ji)可用(yong)于住(zhu)宅和(he)工(gong)業環境中，包(bao)(bao)括住(zhu)宅和(he)工(gong)業儀表中的(de)簡易功用(yong)表(氣(qi)表、水(shui)表、熱量計(ji)(ji)(ji))或(huo)(huo)危(wei)險液(ye)體(ti)或(huo)(huo)氣(qi)體(ti)用(yong)混合器(石油、采礦、廢水(shui)處理、油漆、化學品);見圖(tu)1。在結構上，流(liu)量計(ji)(ji)(ji)包(bao)(bao)括三個(ge)單(dan)元(yuan)：傳感器單(dan)元(yuan)、計(ji)(ji)(ji)量單(dan)元(yuan)和(he)通信單(dan)元(yuan)。這些單(dan)元(yuan)或(huo)(huo)功能(neng)塊中的(de)每一(yi)個(ge)都可以是機械式(shi)或(huo)(huo)電子式(shi)。

圖1：住宅和工業應用中的流量計示例

在大(da)部分流量計(ji)的(de)設計(ji)中(zhong)，其(qi)活(huo)動(dong)(dong)部件(jian)都會(hui)使用(yong)機(ji)械感(gan)測。例如，使用(yong)電(dian)(dian)(dian)感(gan)電(dian)(dian)(dian)容器(LC)、巨磁電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(GMR)、隧道式(shi)磁阻(zu)(TMR)或霍爾效應傳(chuan)感(gan)器捕獲螺旋槳(jiang)或葉輪的(de)運動(dong)(dong)，該(gai)運動(dong)(dong)根據流量而變化，并(bing)被轉換成數據并(bing)傳(chuan)遞給測量單元。因(yin)為有活(huo)動(dong)(dong)部件(jian)，所以(yi)可能會(hui)出現磨損和不準確的(de)情(qing)況(kuang)。

這些儀表的壽命普遍較短(duan)(不(bu)到7年)，并(bing)且(qie)不(bu)能檢測到低(di)流(liu)量(liang)或小泄漏(lou)。同時，介質污(wu)染、污(wu)垢積聚以及部件的結垢和老化也會影響測量(liang)精度，很可能導致傳感器(qi)結果不(bu)準確，因此(ci)還需要定期對流(liu)量(liang)計進行重新校準。圖2所(suo)示為帶有(you)LC傳感器(qi)的旋(xuan)轉式水表 。

圖(tu)2：使(shi)用LC傳感器的旋(xuan)轉式流量(liang)計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精(jing)確(<±1%)，具有較長使用壽(shou)命(> 10年)，可以方便地檢測(ce)不同成分的液體或(huo)氣(qi)體，并調(diao)整(zheng)介質和管道腐蝕污染(ran)的影(ying)響。超聲波儀表沒有活動(dong)部件，因此無(wu)需重新(xin)校準。

用于(yu)流量(liang)(liang)測量(liang)(liang)的超聲(sheng)(sheng)波(bo)頻(pin)率(lv)范圍為(wei)100kHz至(zhi)4MHz。使(shi)用一(yi)定頻(pin)率(lv)的電(dian)脈沖信號激發(fa)超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感器從而產生(sheng)相應頻(pin)率(lv)的超聲(sheng)(sheng)波(bo)，并(bing)使(shi)用同一(yi)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)輸(shu)路徑從兩個對立的方向在不同時段發(fa)射(she)聲(sheng)(sheng)波(bo)并(bing)測量(liang)(liang)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)輸(shu)時間(jian)(記為(wei)上(shang)行(xing)傳(chuan)(chuan)輸(shu)時間(jian)和(he)下行(xing)傳(chuan)(chuan)輸(shu)時間(jian),TOF,Time of flight)。通過計算上(shang)下行(xing)傳(chuan)(chuan)輸(shu)時間(jian)的絕對時間(jian)差，進而計算出實際流量(liang)(liang)。

安裝在流管內部(bu)或外(wai)部(bu)的一對(dui)或多對(dui)超聲(sheng)波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)可以用來測(ce)量TOF。圖3所示為(wei)(wei)簡(jian)易的超聲(sheng)波測(ce)量原(yuan)理和一些常見的超聲(sheng)波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)布置撲。超聲(sheng)波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)的選(xuan)擇取決于待測(ce)流體(ti)的介質類(lei)型。通常，待測(ce)流體(ti)為(wei)(wei)液體(ti)時使用頻率大(da)于等于1MHz的超聲(sheng)波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)，待測(ce)流體(ti)為(wei)(wei)氣體(ti)時使用頻率小于等于500kHz的超聲(sheng)波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)。

圖3：超聲(sheng)波測量原理和常見的(de)超聲(sheng)波傳感(gan)器布置拓撲

TOF測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)精確度將(jiang)直(zhi)接影響流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)計量(liang)(liang)的(de)(de)分辨率(lv)和精度。TOF通(tong)常以皮秒(ps)或納秒(ns)計量(liang)(liang)，它的(de)(de)主要參數(shu)包括零流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)漂(piao)移(ZFD)、標準偏(pian)差(STD)、最(zui)小(xiao)和最(zui)大可檢測(ce)流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)、流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)、流(liu)(liu)(liu)(liu)速、體積、絕(jue)對值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)表行業標準;最(zui)常見的(de)(de)是國際(ji)標準化組(zu)(zu)織(ISO)4064、國際(ji)法制計量(liang)(liang)組(zu)(zu)織(OIML)R49和歐洲標準(EN)1434。TI的(de)(de)超(chao)聲波流(liu)(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)表方案能夠(gou)達(da)到(dao)符合標準的(de)(de)高水平精度要求。

TI的(de) MSP430FR6047 微控制(zhi)器(qi)(MCU)是(shi)一款(kuan)用(yong)于液體計量的(de)高度集(ji)成(cheng)的(de)片上系統(SoC)，專門針對使用(yong)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)技(ji)術測量精確TOF的(de)需求量身定制(zhi)，具有基于模擬數字轉換器(qi)(ADC)的(de)波(bo)形捕獲技(ji)術。圖4所示(shi)為MSP430?MCU和超(chao)聲(sheng)波(bo)換能器(qi)的(de)連(lian)接示(shi)意圖。

圖4：MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一對(dui)(dui)超(chao)(chao)聲波(bo)換(huan)能器(qi)可(ke)以直接與(yu)MSP430FR6047 MCU集成的(de)超(chao)(chao)聲波(bo)外(wai)設(USS)連接。USS使用(yong)高速(su)8MSPS的(de)Σ-Δ ADC可(ke)以靈(ling)活的(de)對(dui)(dui)每個(ge)傳感(gan)器(qi)進行獨立的(de)激勵和響應(ying)捕獲。USS再將捕獲的(de)波(bo)形采用(yong)多種(zhong)數字信號處理(li)算法進行下一步(bu)處理(li)。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的(de)波(bo)形捕獲技術(shu)和處理(li)方法能夠(gou)得到一流(liu)的(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)(dui)住宅和工業應(ying)用(yong)中的(de)液體(ti)和氣體(ti)流(liu)量(liang)檢測是一個(ge)突破性系統(tong)設計。

目前大多數(shu)超(chao)聲波(bo)流量計都是電(dian)池供電(dian)的(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)超(chao)聲波(bo)流量表解決方案的(de)平均耗電(dian)量僅為3 μA，從而能夠(gou)達到(dao)10多年的(de)使用壽命。此外(wai)，您可以輕松地將此方案擴展(zhan)到(dao)熱量計。

用(yong)于(yu)流量測(ce)量的(de)超聲波傳感(gan)集成了(le)以(yi)下優勢：尺寸更(geng)小、成本更(geng)低、精度(du)和穩定性提高、延長(chang)產品(pin)壽命、可與(yu)智(zhi)能電網連接等。