使用超聲波技術(shù)進行流量計量

 超聲波技術(shù)已在民用、醫(yī)療和軍事應用中有上百年的歷史。幾乎每個人都經(jīng)歷過醫(yī)療超聲波技術(shù)(如B超)。目前，最新的超聲波應用已發(fā)展到工業(yè)和汽車市場的自動化中。

超聲波技術(shù)的非接觸性質(zhì)使其成為醫(yī)療、制藥、軍事和工廠用途的絕佳選擇。此外，其操作環(huán)境也大大超出人們所了解的范圍。

流量計量是以每小時升(lph)或加侖/分鐘(gpm)為單位測量液體或氣體的流量。流量計可用于住宅和工業(yè)環(huán)境中，包括住宅和工業(yè)儀表中的簡易功用表(氣表、水表、熱量計)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);見圖1。在結(jié)構(gòu)上，流量計包括三個單元：傳感器單元、計量單元和通信單元。這些單元或功能塊中的每一個都可以是機械式或電子式。

圖1：住宅和工業(yè)應用中的流量計示例

在大部分流量計的設計中，其活動部件都會使用機械感測。例如，使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道式磁阻(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(jù)流量而變化，并被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并傳遞給測量單元。因為有活動部件，所以可能會出現(xiàn)磨損和不準確的情況。

這些儀表的壽命普遍較短(不到7年)，并且不能檢測到低流量或小泄漏。同時，介質(zhì)污染、污垢積聚以及部件的結(jié)垢和老化也會影響測量精度，很可能導致傳感器結(jié)果不準確，因此還需要定期對流量計進行重新校準。圖2所示為帶有LC傳感器的旋轉(zhuǎn)式水表 。

圖2：使用LC傳感器的旋轉(zhuǎn)式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術(shù)非常精確(<±1%)，具有較長使用壽命(> 10年)，可以方便地檢測不同成分的液體或氣體，并調(diào)整介質(zhì)和管道腐蝕污染的影響。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率范圍為100kHz至4MHz。使用一定頻率的電脈沖信號激發(fā)超聲波傳感器從而產(chǎn)生相應頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個對立的方向在不同時段發(fā)射聲波并測量聲波傳輸時間(記為上行傳輸時間和下行傳輸時間,TOF,Time of flight)。通過計算上下行傳輸時間的絕對時間差，進而計算出實際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外部的一對或多對超聲波傳感器可以用來測量TOF。圖3所示為簡易的超聲波測量原理和一些常見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(zhì)類型。通常，待測流體為液體時使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體為氣體時使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。

圖3：超聲波測量原理和常見的超聲波傳感器布置拓撲

TOF測量的精確度將直接影響流量計量的分辨率和精度。TOF通常以皮秒(ps)或納秒(ns)計量，它的主要參數(shù)包括零流量漂移(ZFD)、標準偏差(STD)、最小和最大可檢測流量、流量、流速、體積、絕對值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流量表行業(yè)標準;最常見的是國際標準化組織(ISO)4064、國際法制計量組織(OIML)R49和歐洲標準(EN)1434。TI的超聲波流量表方案能夠達到符合標準的高水平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一款用于液體計量的高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，專門針對使用超聲波傳感技術(shù)測量精確TOF的需求量身定制，具有基于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的波形捕獲技術(shù)。圖4所示為MSP430™MCU和超聲波換能器的連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一對超聲波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(USS)連接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對每個傳感器進行獨立的激勵和響應捕獲。USS再將捕獲的波形采用多種數(shù)字信號處理算法進行下一步處理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技術(shù)和處理方法能夠得到一流的分辨率(<5ps) —— 對住宅和工業(yè)應用中的液體和氣體流量檢測是一個突破性系統(tǒng)設計。

目前大多數(shù)超聲波流量計都是電池供電的，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3 μA，從而能夠達到10多年的使用壽命。此外，您可以輕松地將此方案擴展到熱量計。

用于流量測量的超聲波傳感集成了以下優(yōu)勢：尺寸更小、成本更低、精度和穩(wěn)定性提高、延長產(chǎn)品壽命、可與智能電網(wǎng)連接等。