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超聲波技術已(yi)在民用(yong)(yong)、醫療和軍事應用(yong)(yong)中有上百年的歷史。幾(ji)乎每(mei)個人都經歷過醫療超聲(sheng)波(bo)技術(如B超)。目前，最新的超聲(sheng)波(bo)應用(yong)(yong)已(yi)發展到(dao)工業和汽車市場(chang)的自(zi)動(dong)化中。

超聲波技術的(de)非接觸性質使其成為醫療、制藥、軍(jun)事和工廠用途的(de)絕(jue)佳選擇。此外(wai)，其操作環境(jing)也大(da)大(da)超出人(ren)們所了解的(de)范圍。

流量計量是以每小時(shi)升(lph)或(huo)加侖/分鐘(gpm)為單(dan)(dan)位(wei)測量液體(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)的(de)流量。流量計(ji)可(ke)(ke)用(yong)于住(zhu)宅和工業(ye)環境中(zhong)，包括住(zhu)宅和工業(ye)儀表(biao)(biao)(biao)中(zhong)的(de)簡易功(gong)用(yong)表(biao)(biao)(biao)(氣(qi)表(biao)(biao)(biao)、水(shui)表(biao)(biao)(biao)、熱量計(ji))或(huo)危險液體(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)用(yong)混合器(qi)(qi)(石(shi)油(you)、采(cai)礦、廢水(shui)處理、油(you)漆、化學品);見圖1。在結構上，流量計(ji)包括三個單(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)：傳感器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)、計(ji)量單(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)和通信單(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)。這些單(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)或(huo)功(gong)能塊中(zhong)的(de)每一個都可(ke)(ke)以是機械式(shi)或(huo)電子式(shi)。

圖1：住宅和(he)工業應用中的流量計示例

在大部分流量計(ji)的(de)設計(ji)中，其(qi)活動(dong)部件都會使用(yong)機械感測。例如(ru)，使用(yong)電感電容(rong)器(LC)、巨(ju)磁電阻(GMR)、隧道式(shi)磁阻(TMR)或霍爾效應傳感器捕獲(huo)螺旋槳或葉輪的(de)運(yun)動(dong)，該運(yun)動(dong)根(gen)據(ju)流量而變化(hua)，并被轉換成數(shu)據(ju)并傳遞給測量單元。因為有活動(dong)部件，所以可能(neng)會出現磨(mo)損和不準確(que)的(de)情況。

這(zhe)些儀表的(de)壽命普遍較短(不到7年(nian))，并且不能(neng)檢測到低流量(liang)或小泄漏。同時(shi)，介質污染、污垢積聚(ju)以及部(bu)件的(de)結垢和老化(hua)也(ye)會影響測量(liang)精度，很(hen)可(ke)能(neng)導致傳感器結果不準(zhun)確，因(yin)此還需(xu)要定期對流量(liang)計進行重(zhong)新校準(zhun)。圖2所示為帶有LC傳感器的(de)旋轉式水(shui)表 。

圖2：使用LC傳感器的(de)旋轉式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精確(<±1%)，具(ju)有較(jiao)長(chang)使用壽命(> 10年)，可以方便地檢測(ce)不同成分的(de)液體或氣體，并調整介質和(he)管道腐蝕污染的(de)影響。超聲波儀表沒有活(huo)動部件，因此無(wu)需重(zhong)新校(xiao)準。

用(yong)(yong)于流量測量的超聲(sheng)波頻(pin)率(lv)范(fan)圍(wei)為(wei)100kHz至(zhi)4MHz。使(shi)用(yong)(yong)一定頻(pin)率(lv)的電(dian)脈沖信號激發超聲(sheng)波傳(chuan)感器從而(er)產生相應(ying)頻(pin)率(lv)的超聲(sheng)波，并使(shi)用(yong)(yong)同一聲(sheng)波傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)路徑從兩(liang)個對(dui)立的方向在不(bu)同時(shi)段發射聲(sheng)波并測量聲(sheng)波傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時(shi)間(jian)(記為(wei)上行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時(shi)間(jian)和下行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時(shi)間(jian),TOF,Time of flight)。通過(guo)計算(suan)上下行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時(shi)間(jian)的絕(jue)對(dui)時(shi)間(jian)差，進而(er)計算(suan)出實際(ji)流量。

安裝在流(liu)管內部或外部的一(yi)對或多對超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以用(yong)來測(ce)量TOF。圖3所(suo)示為(wei)簡易的超聲波(bo)(bo)(bo)測(ce)量原(yuan)理和一(yi)些常(chang)見(jian)的超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)布置撲。超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的選(xuan)擇取決于(yu)(yu)待(dai)(dai)測(ce)流(liu)體(ti)的介質(zhi)類型。通常(chang)，待(dai)(dai)測(ce)流(liu)體(ti)為(wei)液體(ti)時使用(yong)頻率(lv)大于(yu)(yu)等于(yu)(yu)1MHz的超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)，待(dai)(dai)測(ce)流(liu)體(ti)為(wei)氣體(ti)時使用(yong)頻率(lv)小(xiao)于(yu)(yu)等于(yu)(yu)500kHz的超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

圖3：超聲波測量原(yuan)理和(he)常見的超聲波傳感器布置拓撲

TOF測量(liang)(liang)的(de)(de)精確度將直接影響流(liu)量(liang)(liang)計量(liang)(liang)的(de)(de)分(fen)辨率和精度。TOF通(tong)常以皮(pi)秒(miao)(miao)(ps)或納秒(miao)(miao)(ns)計量(liang)(liang)，它的(de)(de)主要(yao)(yao)參數包括零流(liu)量(liang)(liang)漂移(ZFD)、標(biao)準偏差(cha)(STD)、最小和最大可檢測流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)速、體積、絕對值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)表行業標(biao)準;最常見的(de)(de)是國(guo)際標(biao)準化組(zu)織(zhi)(ISO)4064、國(guo)際法制(zhi)計量(liang)(liang)組(zu)織(zhi)(OIML)R49和歐洲標(biao)準(EN)1434。TI的(de)(de)超聲波(bo)流(liu)量(liang)(liang)表方案能夠(gou)達到符合(he)標(biao)準的(de)(de)高(gao)水平精度要(yao)(yao)求(qiu)。

TI的(de) MSP430FR6047 微控制器(qi)(MCU)是一款用于(yu)液體計(ji)量的(de)高度集成(cheng)的(de)片上(shang)系統(tong)(SoC)，專(zhuan)門針對使(shi)用超(chao)聲波(bo)傳(chuan)感技術測量精(jing)確(que)TOF的(de)需(xu)求量身(shen)定制，具有基于(yu)模擬數字(zi)轉(zhuan)換器(qi)(ADC)的(de)波(bo)形捕獲技術。圖(tu)4所示為MSP430?MCU和超(chao)聲波(bo)換能器(qi)的(de)連接示意(yi)圖(tu)。

圖4：MSP430FR6047和(he)超聲波換能器連接示意圖

一(yi)對超聲波(bo)(bo)換能器可以直(zhi)接與MSP430FR6047 MCU集成(cheng)的(de)(de)(de)超聲波(bo)(bo)外設(she)(USS)連接。USS使用高速8MSPS的(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可以靈活的(de)(de)(de)對每個(ge)傳(chuan)感器進行獨(du)立的(de)(de)(de)激勵(li)和(he)響(xiang)應捕(bu)獲。USS再將捕(bu)獲的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形(xing)采用多種(zhong)數字(zi)信號處(chu)理算法進行下一(yi)步處(chu)理。MSP430FR6047 MCU中采用的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形(xing)捕(bu)獲技術和(he)處(chu)理方法能夠得到一(yi)流的(de)(de)(de)分辨(bian)率(<5ps) —— 對住宅(zhai)和(he)工業應用中的(de)(de)(de)液(ye)體和(he)氣體流量檢(jian)測(ce)是一(yi)個(ge)突(tu)破性(xing)系統設(she)計。

目前大多數超(chao)聲波流量(liang)(liang)(liang)計(ji)都是電(dian)池供電(dian)的(de)，然而(er)基于MSP430FR6047 MCU的(de)超(chao)聲波流量(liang)(liang)(liang)表解(jie)決方案(an)的(de)平(ping)均耗電(dian)量(liang)(liang)(liang)僅為3 μA，從而(er)能夠(gou)達到10多年的(de)使用壽命。此外，您可以(yi)輕(qing)松地(di)將此方案(an)擴展到熱量(liang)(liang)(liang)計(ji)。

用于流量(liang)測(ce)量(liang)的(de)超聲波(bo)傳感(gan)集(ji)成了以下優勢：尺寸更(geng)小、成本(ben)更(geng)低、精(jing)度和(he)穩定性提(ti)高(gao)、延長產(chan)品(pin)壽命(ming)、可(ke)與(yu)智能電(dian)網連接等(deng)。