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超聲波技術已在民用、醫療和軍事(shi)應用中有上百年的(de)歷(li)(li)史。幾(ji)乎每個人都(dou)經歷(li)(li)過醫療超聲波技術(如(ru)B超)。目前，最新的(de)超聲波應用已發展到工業和汽車市場的(de)自動化(hua)中。

超聲(sheng)波技術的(de)非接觸性質(zhi)使(shi)其成(cheng)為醫療、制藥(yao)、軍事和工(gong)廠用途的(de)絕(jue)佳選擇。此外，其操(cao)作環境也大大超出人們所了解的(de)范圍。

流量計量是以(yi)每小時升(lph)或(huo)加侖(lun)/分鐘(gpm)為單位(wei)測量液(ye)體(ti)或(huo)氣(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)(de)流量。流量計可用(yong)于住宅和(he)工業環境中，包(bao)(bao)括(kuo)住宅和(he)工業儀表(biao)(biao)中的(de)(de)(de)簡易功用(yong)表(biao)(biao)(氣(qi)(qi)表(biao)(biao)、水表(biao)(biao)、熱量計)或(huo)危險液(ye)體(ti)或(huo)氣(qi)(qi)體(ti)用(yong)混合器(qi)(石油(you)、采礦、廢水處理、油(you)漆(qi)、化學(xue)品);見(jian)圖1。在(zai)結構(gou)上，流量計包(bao)(bao)括(kuo)三個單元(yuan)(yuan)(yuan)：傳感器(qi)單元(yuan)(yuan)(yuan)、計量單元(yuan)(yuan)(yuan)和(he)通信單元(yuan)(yuan)(yuan)。這些(xie)單元(yuan)(yuan)(yuan)或(huo)功能塊(kuai)中的(de)(de)(de)每一個都可以(yi)是機械式或(huo)電子(zi)式。

圖1：住宅和工業應用中的流量(liang)計示例

在大部分流(liu)量計的(de)(de)設計中，其活動部件(jian)都會(hui)使(shi)(shi)用機械感(gan)測。例(li)如，使(shi)(shi)用電感(gan)電容(rong)器(qi)(LC)、巨磁電阻(zu)(GMR)、隧道(dao)式(shi)磁阻(zu)(TMR)或霍(huo)爾(er)效(xiao)應傳(chuan)感(gan)器(qi)捕獲(huo)螺旋槳或葉輪(lun)的(de)(de)運動，該運動根據(ju)流(liu)量而變化(hua)，并(bing)被(bei)轉(zhuan)換成數據(ju)并(bing)傳(chuan)遞給測量單(dan)元。因為有(you)活動部件(jian)，所以可能會(hui)出現磨損和不(bu)準確的(de)(de)情況(kuang)。

這些儀表的壽(shou)命普遍較短(不到(dao)7年)，并且不能檢測(ce)到(dao)低流(liu)量或小泄漏。同時(shi)，介質污染、污垢(gou)積(ji)聚(ju)以及部件的結(jie)垢(gou)和老化也會影(ying)響測(ce)量精(jing)度，很可能導致傳感器結(jie)果不準確，因此(ci)還需要(yao)定期(qi)對(dui)流(liu)量計進行(xing)重新(xin)校(xiao)準。圖2所示為帶有LC傳感器的旋(xuan)轉式水表 。

圖2：使用LC傳感器(qi)的旋轉(zhuan)式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精確(<±1%)，具有較長使用壽命(> 10年)，可以(yi)方便地檢測不同成(cheng)分的液體(ti)或氣體(ti)，并(bing)調整介質和管道腐蝕(shi)污染的影響。超聲(sheng)波儀表沒有活動(dong)部件，因此無需(xu)重(zhong)新校準。

用(yong)于流量測量的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)頻率范圍為100kHz至4MHz。使用(yong)一(yi)定(ding)頻率的(de)電脈沖信號(hao)激發超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)感器從(cong)而產生相應頻率的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)，并(bing)使用(yong)同一(yi)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)輸路(lu)徑從(cong)兩個對立的(de)方(fang)向(xiang)在(zai)不(bu)同時(shi)段發射聲(sheng)(sheng)波(bo)并(bing)測量聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)輸時(shi)間(jian)(記為上(shang)行(xing)(xing)傳(chuan)輸時(shi)間(jian)和下(xia)行(xing)(xing)傳(chuan)輸時(shi)間(jian),TOF,Time of flight)。通(tong)過計算(suan)上(shang)下(xia)行(xing)(xing)傳(chuan)輸時(shi)間(jian)的(de)絕對時(shi)間(jian)差，進而計算(suan)出實(shi)際流量。

安裝在流(liu)管內(nei)部(bu)或外部(bu)的一對或多對超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器可以用(yong)來測(ce)(ce)量TOF。圖3所示為(wei)簡易(yi)的超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)測(ce)(ce)量原理(li)和一些常見的超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器布置撲。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器的選擇(ze)取決于(yu)(yu)待測(ce)(ce)流(liu)體(ti)(ti)(ti)的介質類型(xing)。通常，待測(ce)(ce)流(liu)體(ti)(ti)(ti)為(wei)液體(ti)(ti)(ti)時使用(yong)頻(pin)率(lv)大于(yu)(yu)等于(yu)(yu)1MHz的超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器，待測(ce)(ce)流(liu)體(ti)(ti)(ti)為(wei)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)時使用(yong)頻(pin)率(lv)小于(yu)(yu)等于(yu)(yu)500kHz的超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器。

圖3：超聲(sheng)波測量原(yuan)理(li)和常(chang)見的(de)超聲(sheng)波傳感器布置拓撲

TOF測量(liang)的精確度(du)將直接(jie)影響流(liu)量(liang)計量(liang)的分辨率(lv)和精度(du)。TOF通常(chang)以皮(pi)秒(miao)(ps)或納秒(miao)(ns)計量(liang)，它的主要參數包括零流(liu)量(liang)漂移(ZFD)、標準偏差(STD)、最(zui)小和最(zui)大(da)可檢測流(liu)量(liang)、流(liu)量(liang)、流(liu)速(su)、體積(ji)、絕對(dui)值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)表(biao)行業標準;最(zui)常(chang)見的是國際標準化組織(ISO)4064、國際法(fa)制計量(liang)組織(OIML)R49和歐洲標準(EN)1434。TI的超(chao)聲波流(liu)量(liang)表(biao)方案能(neng)夠達到符合標準的高水平精度(du)要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一款用于液體(ti)計量(liang)的高度集成的片上系(xi)統(SoC)，專門(men)針(zhen)對使用超聲波(bo)傳感(gan)技術測量(liang)精確TOF的需求量(liang)身定制，具有(you)基于模(mo)擬數(shu)字轉換(huan)器(ADC)的波(bo)形捕(bu)獲技術。圖(tu)(tu)4所示(shi)為MSP430?MCU和超聲波(bo)換(huan)能器的連接示(shi)意圖(tu)(tu)。

圖(tu)4：MSP430FR6047和超聲波換能器連接(jie)示(shi)意圖(tu)

一(yi)(yi)對(dui)(dui)超(chao)聲(sheng)波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波外設(USS)連接。USS使用(yong)高速8MSPS的(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可以靈活的(de)(de)(de)對(dui)(dui)每個傳感器進(jin)行獨立的(de)(de)(de)激勵(li)和響應捕(bu)獲(huo)(huo)。USS再將捕(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)(de)波形采(cai)用(yong)多種數字(zi)信號處理算法進(jin)行下(xia)一(yi)(yi)步處理。MSP430FR6047 MCU中采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)波形捕(bu)獲(huo)(huo)技術和處理方法能夠得到一(yi)(yi)流的(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)(dui)住宅(zhai)和工業應用(yong)中的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)和氣體(ti)流量(liang)檢測是一(yi)(yi)個突破性系統設計。

目前(qian)大多(duo)數(shu)超聲(sheng)(sheng)波流量計都是電池供電的(de)，然而基(ji)于MSP430FR6047 MCU的(de)超聲(sheng)(sheng)波流量表解決方案的(de)平均耗電量僅(jin)為3 μA，從而能夠達到10多(duo)年的(de)使(shi)用壽命。此外(wai)，您(nin)可(ke)以(yi)輕松(song)地將此方案擴展到熱量計。

用于流量測(ce)量的超聲波傳(chuan)感(gan)集成了(le)以下(xia)優勢(shi)：尺(chi)寸更小(xiao)、成本更低、精度和穩定性提高、延長產品壽命、可與智能電網(wang)連接等。