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超聲波技術已(yi)在民用(yong)、醫療(liao)和軍事應用(yong)中有上百年的(de)歷史。幾乎每(mei)個人都(dou)經(jing)歷過醫療(liao)超聲波技術(如B超)。目前，最新的(de)超聲波應用(yong)已(yi)發展到工業和汽車市場的(de)自動(dong)化(hua)中。

超聲波技術的(de)非接(jie)觸性質使(shi)其(qi)成為醫療、制(zhi)藥、軍事和工廠(chang)用途(tu)的(de)絕(jue)佳(jia)選擇。此外，其(qi)操作環境也大(da)大(da)超出人們所了解(jie)的(de)范(fan)圍。

流量計量是(shi)以每小時升(lph)或(huo)(huo)加侖/分鐘(gpm)為單(dan)(dan)位測量液體(ti)(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)(ti)的流量。流量計(ji)可用于住宅和(he)工業(ye)環境中(zhong)，包(bao)括(kuo)住宅和(he)工業(ye)儀表(biao)中(zhong)的簡易功(gong)用表(biao)(氣表(biao)、水(shui)(shui)表(biao)、熱量計(ji))或(huo)(huo)危險液體(ti)(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)(ti)用混合器(qi)(石油、采礦、廢水(shui)(shui)處理、油漆、化學品);見圖1。在結構上(shang)，流量計(ji)包(bao)括(kuo)三個單(dan)(dan)元(yuan)：傳感器(qi)單(dan)(dan)元(yuan)、計(ji)量單(dan)(dan)元(yuan)和(he)通信單(dan)(dan)元(yuan)。這些單(dan)(dan)元(yuan)或(huo)(huo)功(gong)能(neng)塊中(zhong)的每一個都(dou)可以是(shi)機械(xie)式或(huo)(huo)電子式。

圖1：住宅(zhai)和工業應用中的流量(liang)計示例

在大部(bu)分流(liu)量計的設(she)計中，其活(huo)動部(bu)件都會使(shi)用(yong)機械(xie)感測。例(li)如(ru)，使(shi)用(yong)電(dian)感電(dian)容(rong)器(LC)、巨磁電(dian)阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或(huo)霍爾效應傳感器捕獲螺旋槳或(huo)葉輪的運(yun)動，該運(yun)動根(gen)據流(liu)量而(er)變化，并(bing)被轉換成數(shu)據并(bing)傳遞給測量單(dan)元。因為有活(huo)動部(bu)件，所以可能會出現磨損和不準確的情況(kuang)。

這(zhe)些儀表的壽命(ming)普遍較(jiao)短(不到7年(nian))，并(bing)且不能檢(jian)測到低(di)流量(liang)或小泄漏(lou)。同時，介質污染、污垢(gou)積聚以及部件的結垢(gou)和老化也會影響(xiang)測量(liang)精度，很(hen)可能導致傳(chuan)感器結果不準確，因此還需要(yao)定期對流量(liang)計進行(xing)重新校準。圖2所示為帶有LC傳(chuan)感器的旋轉(zhuan)式水表 。

圖(tu)2：使(shi)用(yong)LC傳感器的旋轉式流量計(ji)

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(ju)有(you)較長使(shi)用(yong)壽命(> 10年)，可以方便地檢測不同成分的液體或氣體，并調(diao)整介質和管(guan)道(dao)腐蝕(shi)污(wu)染(ran)的影(ying)響(xiang)。超聲波儀表沒有(you)活(huo)動部件，因此無需重新校(xiao)準。

用于流量(liang)測(ce)量(liang)的超(chao)聲波(bo)(bo)頻率范圍為(wei)100kHz至4MHz。使(shi)用一定頻率的電脈(mo)沖信號激發超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)感器從(cong)而產生(sheng)相應頻率的超(chao)聲波(bo)(bo)，并使(shi)用同一聲波(bo)(bo)傳(chuan)輸(shu)路徑(jing)從(cong)兩個對立的方(fang)向在(zai)不同時(shi)(shi)(shi)段發射聲波(bo)(bo)并測(ce)量(liang)聲波(bo)(bo)傳(chuan)輸(shu)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(記(ji)為(wei)上行傳(chuan)輸(shu)時(shi)(shi)(shi)間(jian)和(he)下行傳(chuan)輸(shu)時(shi)(shi)(shi)間(jian),TOF,Time of flight)。通過計(ji)算上下行傳(chuan)輸(shu)時(shi)(shi)(shi)間(jian)的絕(jue)對時(shi)(shi)(shi)間(jian)差，進而計(ji)算出(chu)實際流量(liang)。

安裝(zhuang)在流管內(nei)部或(huo)外(wai)部的(de)(de)一對或(huo)多對超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)可(ke)以用來測量(liang)TOF。圖3所示(shi)為(wei)簡(jian)易的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)測量(liang)原理和一些常(chang)見的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)布置撲。超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)選擇取決于待(dai)測流體的(de)(de)介(jie)質(zhi)類型。通常(chang)，待(dai)測流體為(wei)液體時使用頻率大于等(deng)于1MHz的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，待(dai)測流體為(wei)氣(qi)體時使用頻率小于等(deng)于500kHz的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。

圖3：超聲波測量(liang)原理和常見的超聲波傳感器布置(zhi)拓撲

TOF測量(liang)的精確(que)度(du)將直接影響(xiang)流(liu)量(liang)計量(liang)的分(fen)辨率(lv)和精度(du)。TOF通(tong)常(chang)以皮秒(ps)或納秒(ns)計量(liang)，它的主要(yao)參數包(bao)括零流(liu)量(liang)漂移(ZFD)、標(biao)準(zhun)偏差(STD)、最小和最大(da)可(ke)檢測流(liu)量(liang)、流(liu)量(liang)、流(liu)速、體積、絕對(dui)值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)表行業標(biao)準(zhun);最常(chang)見(jian)的是國際標(biao)準(zhun)化組織(ISO)4064、國際法制計量(liang)組織(OIML)R49和歐洲標(biao)準(zhun)(EN)1434。TI的超聲波流(liu)量(liang)表方案能(neng)夠(gou)達到(dao)符合標(biao)準(zhun)的高水(shui)平精度(du)要(yao)求。

TI的(de)(de) MSP430FR6047 微控制(zhi)器(qi)(MCU)是一款用(yong)于液(ye)體計量(liang)的(de)(de)高度集(ji)成的(de)(de)片上系統(SoC)，專門針對(dui)使用(yong)超(chao)聲波(bo)傳感技術測量(liang)精確TOF的(de)(de)需求量(liang)身定制(zhi)，具有基于模擬(ni)數(shu)字轉換器(qi)(ADC)的(de)(de)波(bo)形捕獲技術。圖4所示為MSP430?MCU和超(chao)聲波(bo)換能器(qi)的(de)(de)連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一(yi)對(dui)超聲波(bo)換能器(qi)可以(yi)直接與MSP430FR6047 MCU集(ji)成的(de)(de)超聲波(bo)外設(USS)連接。USS使用(yong)高速8MSPS的(de)(de)Σ-Δ ADC可以(yi)靈活(huo)的(de)(de)對(dui)每個傳(chuan)感器(qi)進(jin)行獨立的(de)(de)激(ji)勵和響應(ying)捕(bu)獲(huo)。USS再(zai)將捕(bu)獲(huo)的(de)(de)波(bo)形(xing)采用(yong)多種數字信號處(chu)(chu)理(li)算法(fa)(fa)進(jin)行下一(yi)步處(chu)(chu)理(li)。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的(de)(de)波(bo)形(xing)捕(bu)獲(huo)技術和處(chu)(chu)理(li)方法(fa)(fa)能夠得到一(yi)流(liu)的(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)住宅和工業應(ying)用(yong)中的(de)(de)液體(ti)和氣體(ti)流(liu)量檢(jian)測是一(yi)個突(tu)破(po)性(xing)系統設計。

目前大多(duo)數超(chao)聲波(bo)流量計(ji)都是電池供電的，然而(er)基于(yu)MSP430FR6047 MCU的超(chao)聲波(bo)流量表解決方(fang)案的平均耗(hao)電量僅為3 μA，從而(er)能夠(gou)達到10多(duo)年的使用壽(shou)命(ming)。此外，您可以輕松(song)地將(jiang)此方(fang)案擴展到熱量計(ji)。

用于流量測量的超(chao)聲波傳感集(ji)成(cheng)了以下(xia)優勢：尺寸更小、成(cheng)本更低、精度(du)和(he)穩定性提(ti)高(gao)、延長產品壽命、可與(yu)智能電網連接等。