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超聲波技術已在民用(yong)(yong)、醫(yi)療(liao)和軍事應用(yong)(yong)中有上百年的歷史。幾乎(hu)每個人都經(jing)歷過醫(yi)療(liao)超(chao)聲波技(ji)術(如B超(chao))。目前，最新的超(chao)聲波應用(yong)(yong)已發展(zhan)到工(gong)業(ye)和汽車市(shi)場的自動化中。

超聲波(bo)技術的非接觸性質使其成為醫療、制藥、軍事(shi)和工廠用途的絕佳選擇(ze)。此外，其操作環境也大大超出人們所(suo)了解的范圍。

流量計量是(shi)以每小時升(lph)或(huo)(huo)加侖/分鐘(zhong)(gpm)為單(dan)(dan)位測(ce)量(liang)液體(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)的(de)流量(liang)。流量(liang)計可用(yong)于住宅(zhai)和(he)工業環境中，包括(kuo)住宅(zhai)和(he)工業儀表(biao)(biao)中的(de)簡易功(gong)用(yong)表(biao)(biao)(氣表(biao)(biao)、水表(biao)(biao)、熱量(liang)計)或(huo)(huo)危(wei)險液體(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)用(yong)混合器(石油、采(cai)礦、廢水處理、油漆、化學品);見圖1。在結構上，流量(liang)計包括(kuo)三個(ge)單(dan)(dan)元：傳(chuan)感器單(dan)(dan)元、計量(liang)單(dan)(dan)元和(he)通信單(dan)(dan)元。這些單(dan)(dan)元或(huo)(huo)功(gong)能塊中的(de)每一個(ge)都(dou)可以是(shi)機械式或(huo)(huo)電子式。

圖(tu)1：住宅和工(gong)業應用中的流量計示例

在大部分流(liu)量計的設計中，其活(huo)動(dong)部件(jian)都會使(shi)用機械感測。例如，使(shi)用電(dian)(dian)感電(dian)(dian)容(rong)器(LC)、巨磁電(dian)(dian)阻(zu)(GMR)、隧道式磁阻(zu)(TMR)或霍爾效應傳(chuan)(chuan)感器捕(bu)獲(huo)螺旋槳或葉輪(lun)的運(yun)動(dong)，該運(yun)動(dong)根據流(liu)量而變化，并(bing)被轉換成(cheng)數據并(bing)傳(chuan)(chuan)遞給(gei)測量單(dan)元。因(yin)為有活(huo)動(dong)部件(jian)，所以可能會出現磨損(sun)和不準確的情(qing)況。

這些儀表(biao)的(de)壽命(ming)普(pu)遍較短(duan)(不到7年)，并(bing)且不能檢測(ce)到低流量或小泄漏。同時，介質污(wu)(wu)染(ran)、污(wu)(wu)垢(gou)積聚以及部件的(de)結(jie)垢(gou)和(he)老化也會影響測(ce)量精度，很可能導致(zhi)傳感器(qi)結(jie)果不準(zhun)(zhun)確，因(yin)此還需要(yao)定期對流量計進行重新校準(zhun)(zhun)。圖(tu)2所(suo)示為帶有LC傳感器(qi)的(de)旋(xuan)轉式水表(biao) 。

圖(tu)2：使用(yong)LC傳感器的旋轉(zhuan)式(shi)流(liu)量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精(jing)確(que)(<±1%)，具有(you)較長使用壽命(> 10年)，可以方便地檢測(ce)不同成分(fen)的(de)液(ye)體(ti)或氣體(ti)，并調整介(jie)質(zhi)和管道(dao)腐蝕污染(ran)的(de)影響。超聲波儀(yi)表沒有(you)活動部件，因此無需重新校準(zhun)。

用(yong)于(yu)流量測(ce)(ce)量的(de)超聲(sheng)(sheng)波頻率(lv)范圍為(wei)100kHz至(zhi)4MHz。使用(yong)一定頻率(lv)的(de)電脈沖(chong)信號激(ji)發超聲(sheng)(sheng)波傳感器從(cong)而產生相應頻率(lv)的(de)超聲(sheng)(sheng)波，并使用(yong)同(tong)一聲(sheng)(sheng)波傳輸(shu)路徑從(cong)兩個對(dui)立的(de)方(fang)向在不同(tong)時段發射聲(sheng)(sheng)波并測(ce)(ce)量聲(sheng)(sheng)波傳輸(shu)時間(jian)(記為(wei)上行傳輸(shu)時間(jian)和下(xia)行傳輸(shu)時間(jian),TOF,Time of flight)。通(tong)過計算(suan)上下(xia)行傳輸(shu)時間(jian)的(de)絕對(dui)時間(jian)差，進而計算(suan)出實際流量。

安(an)裝在流管(guan)內(nei)部(bu)或外部(bu)的(de)(de)(de)一(yi)對(dui)或多對(dui)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)器可(ke)以用(yong)(yong)來測量TOF。圖3所示為簡易的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)測量原(yuan)理和一(yi)些常見的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)器布置撲。超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)器的(de)(de)(de)選擇取決于(yu)(yu)待(dai)(dai)測流體(ti)(ti)的(de)(de)(de)介質類型。通(tong)常，待(dai)(dai)測流體(ti)(ti)為液體(ti)(ti)時(shi)使用(yong)(yong)頻(pin)率大于(yu)(yu)等于(yu)(yu)1MHz的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)器，待(dai)(dai)測流體(ti)(ti)為氣體(ti)(ti)時(shi)使用(yong)(yong)頻(pin)率小于(yu)(yu)等于(yu)(yu)500kHz的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)器。

圖3：超(chao)聲波測量(liang)原理(li)和常(chang)見的超(chao)聲波傳感器布置拓撲

TOF測量的(de)精(jing)確度將直接影響流(liu)(liu)(liu)量計量的(de)分辨率(lv)和(he)精(jing)度。TOF通常以皮秒(miao)(ps)或納(na)秒(miao)(ns)計量，它的(de)主要(yao)(yao)參數包(bao)括零流(liu)(liu)(liu)量漂(piao)移(ZFD)、標(biao)(biao)(biao)準偏差(STD)、最小(xiao)和(he)最大可檢測流(liu)(liu)(liu)量、流(liu)(liu)(liu)量、流(liu)(liu)(liu)速(su)、體積、絕(jue)對值(Abs)TOF和(he)Delta(Δ)TOF。流(liu)(liu)(liu)量表(biao)行業(ye)標(biao)(biao)(biao)準;最常見的(de)是國(guo)(guo)際標(biao)(biao)(biao)準化(hua)組織(zhi)(ISO)4064、國(guo)(guo)際法制計量組織(zhi)(OIML)R49和(he)歐洲標(biao)(biao)(biao)準(EN)1434。TI的(de)超聲(sheng)波流(liu)(liu)(liu)量表(biao)方案能夠達到符合標(biao)(biao)(biao)準的(de)高水(shui)平(ping)精(jing)度要(yao)(yao)求(qiu)。

TI的(de)(de)(de) MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一(yi)款用于液體計量的(de)(de)(de)高度(du)集成(cheng)的(de)(de)(de)片(pian)上系統(SoC)，專門針對使(shi)用超聲(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)感(gan)技術測量精(jing)確TOF的(de)(de)(de)需求量身(shen)定(ding)制，具(ju)有(you)基(ji)于模擬數(shu)字轉換器(ADC)的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形捕(bu)獲技術。圖(tu)4所示為MSP430?MCU和超聲(sheng)波(bo)(bo)換能器的(de)(de)(de)連接(jie)示意圖(tu)。

圖(tu)4：MSP430FR6047和(he)超聲波換(huan)能器連接示意圖(tu)

一(yi)(yi)對(dui)超(chao)聲波(bo)換能器可以直(zhi)接與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)超(chao)聲波(bo)外設(USS)連(lian)接。USS使用高速8MSPS的(de)(de)Σ-Δ ADC可以靈活的(de)(de)對(dui)每個(ge)(ge)傳(chuan)感(gan)器進行獨立的(de)(de)激勵和(he)響應捕(bu)(bu)獲。USS再(zai)將捕(bu)(bu)獲的(de)(de)波(bo)形采(cai)用多種數字(zi)信號處(chu)理(li)算法進行下一(yi)(yi)步處(chu)理(li)。MSP430FR6047 MCU中(zhong)采(cai)用的(de)(de)波(bo)形捕(bu)(bu)獲技術和(he)處(chu)理(li)方法能夠得(de)到一(yi)(yi)流(liu)的(de)(de)分(fen)辨(bian)率(<5ps) —— 對(dui)住宅和(he)工業應用中(zhong)的(de)(de)液體和(he)氣體流(liu)量檢測是一(yi)(yi)個(ge)(ge)突破性系統設計。

目前大(da)多數超聲波流量計(ji)都是(shi)電(dian)池供電(dian)的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超聲波流量表解決方案的平均耗電(dian)量僅為(wei)3 μA，從而能夠(gou)達到10多年的使用壽(shou)命。此(ci)外，您可以(yi)輕松地將此(ci)方案擴展到熱量計(ji)。

用于流量(liang)測量(liang)的超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感集成(cheng)了以下(xia)優勢：尺寸更小、成(cheng)本(ben)更低、精度和(he)穩定性提(ti)高(gao)、延長產(chan)品(pin)壽命(ming)、可與智能電網連接等。