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超聲波技術已在民用(yong)、醫療(liao)和軍事應用(yong)中(zhong)有(you)上百年的歷(li)史。幾乎每(mei)個人都經歷(li)過醫療(liao)超聲波技術(如(ru)B超)。目前，最新的超聲波應用(yong)已發展(zhan)到工(gong)業(ye)和汽車市場的自動化中(zhong)。

超聲波技術的非接(jie)觸性(xing)質(zhi)使其成為(wei)醫療、制藥、軍(jun)事和工廠用途的絕佳選擇。此外，其操作環境也大大超出(chu)人們所(suo)了(le)解的范圍。

流量計量是以(yi)每小時升(lph)或(huo)加侖/分鐘(gpm)為單(dan)(dan)(dan)位測量(liang)(liang)液(ye)體(ti)(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)(ti)的(de)流量(liang)(liang)。流量(liang)(liang)計(ji)可(ke)用(yong)于住宅和(he)工業環境中(zhong)，包括住宅和(he)工業儀表(biao)中(zhong)的(de)簡易(yi)功用(yong)表(biao)(氣(qi)表(biao)、水表(biao)、熱(re)量(liang)(liang)計(ji))或(huo)危(wei)險(xian)液(ye)體(ti)(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)(ti)用(yong)混合器(石(shi)油、采礦、廢水處(chu)理、油漆、化學品);見圖1。在(zai)結構上，流量(liang)(liang)計(ji)包括三(san)個(ge)單(dan)(dan)(dan)元(yuan)：傳感(gan)器單(dan)(dan)(dan)元(yuan)、計(ji)量(liang)(liang)單(dan)(dan)(dan)元(yuan)和(he)通信單(dan)(dan)(dan)元(yuan)。這些(xie)單(dan)(dan)(dan)元(yuan)或(huo)功能塊中(zhong)的(de)每一個(ge)都可(ke)以(yi)是機械式或(huo)電子式。

圖1：住宅和工(gong)業應用(yong)中的流(liu)量計示例(li)

在(zai)大部(bu)分流(liu)量(liang)計的(de)設計中(zhong)，其活動部(bu)件都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)(yong)機械(xie)感測。例如，使(shi)用(yong)(yong)電感電容器(LC)、巨磁(ci)電阻(zu)(GMR)、隧(sui)道式磁(ci)阻(zu)(TMR)或(huo)霍爾效應(ying)傳感器捕(bu)獲(huo)螺旋槳或(huo)葉輪的(de)運(yun)動，該(gai)運(yun)動根據流(liu)量(liang)而變化，并(bing)被轉換成數據并(bing)傳遞給(gei)測量(liang)單元。因(yin)為(wei)有活動部(bu)件，所以可(ke)能會(hui)出現磨損和不準確(que)的(de)情況。

這些儀表的(de)壽命普遍(bian)較(jiao)短(duan)(不到(dao)7年)，并且(qie)不能(neng)檢測(ce)到(dao)低流量(liang)或(huo)小泄漏。同時(shi)，介質污(wu)(wu)染、污(wu)(wu)垢積聚以及部(bu)件的(de)結垢和老化也會(hui)影響測(ce)量(liang)精(jing)度，很(hen)可能(neng)導致傳感器(qi)(qi)結果不準確(que)，因此還需要(yao)定期對(dui)流量(liang)計進(jin)行(xing)重新校準。圖(tu)2所示為帶(dai)有LC傳感器(qi)(qi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)式水表 。

圖2：使用LC傳感(gan)器(qi)的(de)旋轉式流量(liang)計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精確(<±1%)，具有(you)較長(chang)使用壽命(> 10年(nian))，可以方便地(di)檢測不同(tong)成分的(de)液體(ti)或(huo)氣體(ti)，并調整介質和管道腐蝕污(wu)染的(de)影(ying)響。超(chao)聲(sheng)波儀(yi)表(biao)沒有(you)活動部件，因此(ci)無需(xu)重新校(xiao)準。

用于流量測量的(de)(de)超(chao)聲波頻率(lv)范圍為100kHz至4MHz。使用一(yi)定頻率(lv)的(de)(de)電脈沖信號激發超(chao)聲波傳感器從而產(chan)生相(xiang)應(ying)頻率(lv)的(de)(de)超(chao)聲波，并使用同一(yi)聲波傳輸(shu)路(lu)徑從兩個對立的(de)(de)方(fang)向在不(bu)同時段發射聲波并測量聲波傳輸(shu)時間(jian)(記為上(shang)(shang)行傳輸(shu)時間(jian)和下行傳輸(shu)時間(jian),TOF,Time of flight)。通過計算上(shang)(shang)下行傳輸(shu)時間(jian)的(de)(de)絕對時間(jian)差，進而計算出實(shi)際流量。

安裝在流(liu)(liu)管內部(bu)或外部(bu)的(de)(de)一(yi)對或多對超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)(gan)器可(ke)以用(yong)來測量TOF。圖3所(suo)示為(wei)簡易的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)測量原理和(he)一(yi)些常(chang)見的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)(gan)器布置撲。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)(gan)器的(de)(de)選擇取決于(yu)待測流(liu)(liu)體的(de)(de)介質(zhi)類型。通常(chang)，待測流(liu)(liu)體為(wei)液體時使(shi)用(yong)頻率大(da)于(yu)等于(yu)1MHz的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)(gan)器，待測流(liu)(liu)體為(wei)氣體時使(shi)用(yong)頻率小于(yu)等于(yu)500kHz的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)(gan)器。

圖3：超聲波(bo)測(ce)量原理和常見的超聲波(bo)傳感器(qi)布(bu)置拓撲

TOF測(ce)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)精確度(du)將直接影響流(liu)量(liang)(liang)(liang)計(ji)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)分(fen)辨率和精度(du)。TOF通常(chang)以皮秒(miao)(ps)或納秒(miao)(ns)計(ji)量(liang)(liang)(liang)，它的(de)(de)(de)主要參(can)數包(bao)括零(ling)流(liu)量(liang)(liang)(liang)漂(piao)移(ZFD)、標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)偏差(STD)、最(zui)小(xiao)和最(zui)大可(ke)檢測(ce)流(liu)量(liang)(liang)(liang)、流(liu)量(liang)(liang)(liang)、流(liu)速、體積、絕對值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)(liang)表(biao)行業標(biao)(biao)準(zhun)(zhun);最(zui)常(chang)見(jian)的(de)(de)(de)是國(guo)(guo)際(ji)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)化組織(ISO)4064、國(guo)(guo)際(ji)法(fa)制計(ji)量(liang)(liang)(liang)組織(OIML)R49和歐洲標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(EN)1434。TI的(de)(de)(de)超(chao)聲波(bo)流(liu)量(liang)(liang)(liang)表(biao)方案(an)能夠達到符合標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)高水平(ping)精度(du)要求。

TI的(de) MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一款用于液(ye)體計(ji)量的(de)高度集(ji)成的(de)片(pian)上(shang)系(xi)統(SoC)，專門針對使用超聲波傳感技術(shu)測(ce)量精確TOF的(de)需求量身定制，具有(you)基(ji)于模擬數字轉換(huan)器(ADC)的(de)波形捕獲技術(shu)。圖4所示為(wei)MSP430?MCU和(he)超聲波換(huan)能器的(de)連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一(yi)對超聲波(bo)換能器可(ke)以直接(jie)與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)(de)超聲波(bo)外設(she)(USS)連(lian)接(jie)。USS使用高速8MSPS的(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可(ke)以靈(ling)活(huo)的(de)(de)(de)對每(mei)個傳感(gan)器進(jin)行獨立的(de)(de)(de)激勵和響(xiang)應(ying)捕(bu)(bu)獲(huo)。USS再將捕(bu)(bu)獲(huo)的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)采(cai)用多種數字(zi)信號(hao)處理(li)算法進(jin)行下一(yi)步處理(li)。MSP430FR6047 MCU中(zhong)采(cai)用的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)捕(bu)(bu)獲(huo)技術和處理(li)方法能夠(gou)得到(dao)一(yi)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對住(zhu)宅和工業應(ying)用中(zhong)的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)和氣(qi)體(ti)流(liu)(liu)量檢測是一(yi)個突破性系(xi)統設(she)計。

目前大多(duo)數(shu)超(chao)聲波(bo)(bo)流量(liang)(liang)(liang)計(ji)都是(shi)電(dian)(dian)池供電(dian)(dian)的(de)(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)(de)超(chao)聲波(bo)(bo)流量(liang)(liang)(liang)表解決(jue)方(fang)案(an)(an)的(de)(de)平均耗電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)僅為3 μA，從而能夠達到10多(duo)年的(de)(de)使用壽命。此外，您可以輕(qing)松地將此方(fang)案(an)(an)擴展(zhan)到熱量(liang)(liang)(liang)計(ji)。

用于(yu)流(liu)量(liang)測量(liang)的超(chao)聲波(bo)傳感集成了以下優勢(shi)：尺(chi)寸更(geng)小、成本(ben)更(geng)低、精度和穩(wen)定性提高、延(yan)長產品壽命、可與智能電網連(lian)接(jie)等。