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超聲波技術已在(zai)民用(yong)(yong)、醫療和軍事應用(yong)(yong)中有(you)上百(bai)年的(de)歷史。幾乎每個人都經歷過醫療超(chao)(chao)聲波技術(如B超(chao)(chao))。目(mu)前(qian)，最(zui)新(xin)的(de)超(chao)(chao)聲波應用(yong)(yong)已發展到工(gong)業和汽(qi)車市場的(de)自動化中。

超(chao)聲波技術的非接觸(chu)性質(zhi)使其成為醫療、制藥、軍事和(he)工(gong)廠用途的絕(jue)佳選擇。此外，其操作(zuo)環(huan)境(jing)也大(da)大(da)超(chao)出人們所了解的范圍(wei)。

流量計量是(shi)以每小(xiao)時(shi)升(sheng)(lph)或加侖/分鐘(gpm)為單(dan)位測量(liang)(liang)液體(ti)或氣(qi)體(ti)的流量(liang)(liang)。流量(liang)(liang)計可(ke)用于(yu)住(zhu)宅和(he)工業環境中，包(bao)括(kuo)(kuo)住(zhu)宅和(he)工業儀表中的簡易功用表(氣(qi)表、水表、熱量(liang)(liang)計)或危險液體(ti)或氣(qi)體(ti)用混合(he)器(qi)(石油(you)、采礦、廢(fei)水處理、油(you)漆、化學品);見(jian)圖1。在結構上(shang)，流量(liang)(liang)計包(bao)括(kuo)(kuo)三個單(dan)元(yuan)：傳感器(qi)單(dan)元(yuan)、計量(liang)(liang)單(dan)元(yuan)和(he)通信(xin)單(dan)元(yuan)。這些單(dan)元(yuan)或功能塊中的每一個都可(ke)以是(shi)機械(xie)式或電(dian)子(zi)式。

圖1：住(zhu)宅和(he)工業(ye)應用中的流量計示例

在大部(bu)分流量計的(de)設計中，其活(huo)(huo)動部(bu)件都會使用(yong)機械感測。例如，使用(yong)電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道式(shi)磁阻(TMR)或霍爾效應傳(chuan)感器捕獲(huo)螺(luo)旋槳或葉輪的(de)運動，該運動根(gen)據流量而變化，并被轉換成數(shu)據并傳(chuan)遞給測量單元。因為有活(huo)(huo)動部(bu)件，所以可(ke)能(neng)會出現(xian)磨損和不準確的(de)情(qing)況。

這些(xie)儀表的(de)壽(shou)命普(pu)遍(bian)較短(不(bu)到(dao)7年(nian))，并且(qie)不(bu)能(neng)檢測到(dao)低流量(liang)或小(xiao)泄漏(lou)。同時，介質(zhi)污染、污垢積聚(ju)以及部件的(de)結垢和(he)老化也(ye)會(hui)影響(xiang)測量(liang)精度，很可能(neng)導致傳(chuan)感(gan)器結果不(bu)準確，因此還需要定期對流量(liang)計進行(xing)重新校準。圖2所示為帶有(you)LC傳(chuan)感(gan)器的(de)旋(xuan)轉式(shi)水(shui)表 。

圖(tu)2：使(shi)用LC傳感器(qi)的(de)旋轉式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非(fei)常精確(<±1%)，具(ju)有(you)較長使用壽(shou)命(> 10年)，可以方(fang)便地檢測不(bu)同(tong)成分的液體(ti)或氣(qi)體(ti)，并調整介質和管道腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒有(you)活動部件(jian)，因此無(wu)需(xu)重(zhong)新校準。

用于流(liu)量測(ce)量的(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波頻(pin)率范圍(wei)為(wei)100kHz至4MHz。使用一(yi)定頻(pin)率的(de)(de)電(dian)脈(mo)沖信(xin)號激發(fa)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波傳感(gan)器從而(er)產(chan)生(sheng)相應(ying)頻(pin)率的(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波，并使用同(tong)一(yi)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波傳輸(shu)(shu)路徑從兩(liang)個(ge)對立的(de)(de)方向在不(bu)同(tong)時段發(fa)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波并測(ce)量聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波傳輸(shu)(shu)時間(記為(wei)上行(xing)傳輸(shu)(shu)時間和下行(xing)傳輸(shu)(shu)時間,TOF,Time of flight)。通過計(ji)算上下行(xing)傳輸(shu)(shu)時間的(de)(de)絕對時間差，進而(er)計(ji)算出實際(ji)流(liu)量。

安(an)裝在流管內部或(huo)外部的(de)一(yi)對(dui)或(huo)多對(dui)超聲(sheng)波傳(chuan)感(gan)器(qi)可以用來(lai)測(ce)(ce)量TOF。圖(tu)3所(suo)示為(wei)簡易的(de)超聲(sheng)波測(ce)(ce)量原理和一(yi)些常見的(de)超聲(sheng)波傳(chuan)感(gan)器(qi)布置(zhi)撲。超聲(sheng)波傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)選擇取決于(yu)待測(ce)(ce)流體的(de)介質類型。通常，待測(ce)(ce)流體為(wei)液體時使(shi)用頻(pin)率大于(yu)等于(yu)1MHz的(de)超聲(sheng)波傳(chuan)感(gan)器(qi)，待測(ce)(ce)流體為(wei)氣體時使(shi)用頻(pin)率小(xiao)于(yu)等于(yu)500kHz的(de)超聲(sheng)波傳(chuan)感(gan)器(qi)。

圖3：超聲波測量原(yuan)理和(he)常見的超聲波傳感(gan)器布(bu)置拓撲(pu)

TOF測量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)精確度(du)將(jiang)直接影(ying)響流量(liang)(liang)(liang)計量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)分辨(bian)率和(he)精度(du)。TOF通常以皮秒(ps)或納秒(ns)計量(liang)(liang)(liang)，它的(de)(de)主要參數包括零流量(liang)(liang)(liang)漂(piao)移(yi)(ZFD)、標(biao)(biao)準(zhun)偏差(STD)、最(zui)小和(he)最(zui)大可(ke)檢測流量(liang)(liang)(liang)、流量(liang)(liang)(liang)、流速、體積、絕對值(Abs)TOF和(he)Delta(Δ)TOF。流量(liang)(liang)(liang)表行業標(biao)(biao)準(zhun);最(zui)常見的(de)(de)是國(guo)際標(biao)(biao)準(zhun)化組織(ISO)4064、國(guo)際法制計量(liang)(liang)(liang)組織(OIML)R49和(he)歐洲標(biao)(biao)準(zhun)(EN)1434。TI的(de)(de)超聲(sheng)波流量(liang)(liang)(liang)表方案能(neng)夠(gou)達(da)到符合(he)標(biao)(biao)準(zhun)的(de)(de)高水平(ping)精度(du)要求。

TI的(de) MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一(yi)款用于液體計(ji)量的(de)高度集成(cheng)的(de)片(pian)上系統(SoC)，專門針對(dui)使用超聲波傳感技術(shu)測(ce)量精確TOF的(de)需求量身(shen)定制，具有(you)基于模擬(ni)數(shu)字轉換(huan)器(ADC)的(de)波形(xing)捕獲技術(shu)。圖(tu)4所示為MSP430?MCU和超聲波換(huan)能器的(de)連(lian)接示意(yi)圖(tu)。

圖4：MSP430FR6047和超(chao)聲波換能器連接示意圖

一(yi)對(dui)超(chao)聲(sheng)波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波外設(USS)連接。USS使用(yong)高速(su)8MSPS的(de)(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可以靈活的(de)(de)(de)(de)對(dui)每個傳感器進行(xing)獨(du)立的(de)(de)(de)(de)激勵和(he)響應(ying)(ying)捕獲。USS再將捕獲的(de)(de)(de)(de)波形采用(yong)多種數字信號處(chu)理算法進行(xing)下一(yi)步(bu)處(chu)理。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的(de)(de)(de)(de)波形捕獲技術和(he)處(chu)理方法能夠得到一(yi)流的(de)(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)住(zhu)宅和(he)工(gong)業應(ying)(ying)用(yong)中的(de)(de)(de)(de)液體和(he)氣體流量檢(jian)測是(shi)一(yi)個突破性系統設計(ji)。

目前大多(duo)數超聲波流(liu)量(liang)計(ji)都是電池(chi)供(gong)電的(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)超聲波流(liu)量(liang)表(biao)解(jie)決(jue)方案的(de)平均(jun)耗電量(liang)僅為(wei)3 μA，從而能夠達到10多(duo)年的(de)使用壽命。此外(wai)，您可以輕松地將此方案擴展(zhan)到熱量(liang)計(ji)。

用于流量測量的超聲(sheng)波傳(chuan)感集成了(le)以下優勢：尺寸(cun)更小、成本更低(di)、精度(du)和穩定(ding)性提高、延長產品壽命、可與智能電網連(lian)接等。