超聲波技術(shù)已在民用、醫(yī)療和(hé)軍事應用中有上(shàng)百年(nián)的曆史。幾乎每個人(rén)都(dōu)經曆過醫(yī)療超聲波技術(shù)(如(rú)B超)。目前，最新的超聲波應用已發展到工(gōng)業和(hé)汽車市場的自(zì)動化中。

超聲波技術(shù)的非接觸性質使其成為(wèi)醫(yī)療、制藥、軍事和(hé)工(gōng)廠用途的絕佳選擇。此外(wài)，其操作(zuò)環境也大大超出人(rén)們所了(le)解的範圍。

流量計量是以每小時(shí)升(lph)或加侖/分鐘(zhōng)(gpm)為(wèi)單位測量液體或氣體的流量。流量計可(kě)用于住宅和(hé)工(gōng)業環境中，包括住宅和(hé)工(gōng)業儀表中的簡易功用表(氣表、水表、熱(rè)量計)或危險液體或氣體用混合器(石油、采礦、廢水處理、油漆、化學品);見(jiàn)圖1。在結構上(shàng)，流量計包括三個單元：傳感器單元、計量單元和(hé)通(tōng)信單元。這(zhè)些單元或功能(néng)塊中的每一(yī)個都(dōu)可(kě)以是機械式或電子式。

圖1：住宅和(hé)工(gōng)業應用中的流量計示例

在大部分流量計的設計中，其活動部件都(dōu)會使用機械感測。例如(rú)，使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道(dào)式磁阻(TMR)或霍爾效應傳感器捕獲螺旋槳或葉輪的運動，該運動根據流量而變化，并被轉換成數(shù)據并傳遞給測量單元。因為(wèi)有活動部件，所以可(kě)能(néng)會出現磨損和(hé)不準确的情況。

這(zhè)些儀表的壽命普遍較短(不到7年(nián))，并且不能(néng)檢測到低(dī)流量或小洩漏。同時(shí)，介質污染、污垢積聚以及部件的結垢和(hé)老(lǎo)化也會影響測量精度，很(hěn)可(kě)能(néng)導緻傳感器結果不準确，因此還需要(yào)定期對流量計進行(xíng)重新校準。圖2所示為(wèi)帶有LC傳感器的旋轉式水表 。

圖2：使用LC傳感器的旋轉式流量計

超聲波傳感避免了(le)上(shàng)述幾個問(wèn)題。該傳感技術(shù)非常精确(<±1%)，具有較長(cháng)使用壽命(> 10年(nián))，可(kě)以方便地(dì)檢測不同成分的液體或氣體，并調整介質和(hé)管道(dào)腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒有活動部件，因此無需重新校準。

用于流量測量的超聲波頻(pín)率範圍為(wèi)100kHz至4MHz。使用一(yī)定頻(pín)率的電脈沖信号激發超聲波傳感器從(cóng)而産生相應頻(pín)率的超聲波，并使用同一(yī)聲波傳輸路徑從(cóng)兩個對立的方向在不同時(shí)段發射聲波并測量聲波傳輸時(shí)間(jiān)(記為(wèi)上(shàng)行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān)和(hé)下(xià)行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān),TOF,Time of flight)。通(tōng)過計算上(shàng)下(xià)行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān)的絕對時(shí)間(jiān)差，進而計算出實際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外(wài)部的一(yī)對或多對超聲波傳感器可(kě)以用來測量TOF。圖3所示為(wèi)簡易的超聲波測量原理和(hé)一(yī)些常見(jiàn)的超聲波傳感器布置撲。超聲波傳感器的選擇取決于待測流體的介質類型。通(tōng)常，待測流體為(wèi)液體時(shí)使用頻(pín)率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體為(wèi)氣體時(shí)使用頻(pín)率小于等于500kHz的超聲波傳感器。

圖3：超聲波測量原理和(hé)常見(jiàn)的超聲波傳感器布置拓撲

TOF測量的精确度将直接影響流量計量的分辨率和(hé)精度。TOF通(tōng)常以皮秒(ps)或納秒(ns)計量，它的主要(yào)參數(shù)包括零流量漂移(ZFD)、标準偏差(STD)、最小和(hé)最大可(kě)檢測流量、流量、流速、體積、絕對值(Abs)TOF和(hé)Delta(Δ)TOF。流量表行(xíng)業标準;最常見(jiàn)的是國(guó)際标準化組織(ISO)4064、國(guó)際法制計量組織(OIML)R49和(hé)歐洲标準(EN)1434。TI的超聲波流量表方案能(néng)夠達到符合标準的高水平精度要(yào)求。

TI的 MSP430FR6047 微(wēi)控制器(MCU)是一(yī)款用于液體計量的高度集成的片上(shàng)系統(SoC)，專門針對使用超聲波傳感技術(shù)測量精确TOF的需求量身定制，具有基于模拟數(shù)字轉換器(ADC)的波形捕獲技術(shù)。圖4所示為(wèi)MSP430™MCU和(hé)超聲波換能(néng)器的連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和(hé)超聲波換能(néng)器連接示意圖

一(yī)對超聲波換能(néng)器可(kě)以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外(wài)設(USS)連接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可(kě)以靈活的對每個傳感器進行(xíng)獨立的激勵和(hé)響應捕獲。USS再将捕獲的波形采用多種數(shù)字信号處理算法進行(xíng)下(xià)一(yī)步處理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技術(shù)和(hé)處理方法能(néng)夠得到一(yī)流的分辨率(<5ps) —— 對住宅和(hé)工(gōng)業應用中的液體和(hé)氣體流量檢測是一(yī)個突破性系統設計。

目前大多數(shù)超聲波流量計都(dōu)是電池供電的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超聲波流量表解決方案的平均耗電量僅為(wèi)3 μA，從(cóng)而能(néng)夠達到10多年(nián)的使用壽命。此外(wài)，您可(kě)以輕松地(dì)将此方案擴展到熱(rè)量計。

用于流量測量的超聲波傳感集成了(le)以下(xià)優勢：尺寸更小、成本更低(dī)、精度和(hé)穩定性提高、延長(cháng)産品壽命、可(kě)與智能(néng)電網連接等。