超声波技术已在民用、医疗和军【jun1】事应用中有上百年的历史【shǐ】。几乎每个人都经【jīng】历过【guò】医疗超声波技术【shù】(如【rú】B超)。目【mù】前，最新的【de】超声波应【yīng】用已发展到工业和【hé】汽【qì】车市场的自动化中【zhōng】。

超声波技术的非接触性质【zhì】使其成为医疗、制药【yào】、军事和工厂用途的绝佳【jiā】选【xuǎn】择。此【cǐ】外，其【qí】操作环境【jìng】也大大超出人【rén】们所了解【jiě】的范围。

流量计量是【shì】以每小时升(lph)或【huò】加【jiā】仑/分钟(gpm)为单位测量【liàng】液体或气体【tǐ】的【de】流量。流量计可用于【yú】住宅和工业环【huán】境中，包括住宅和【hé】工业仪表中的简易功用表(气【qì】表、水表、热量【liàng】计)或【huò】危险【xiǎn】液【yè】体【tǐ】或气体【tǐ】用混合器(石油、采矿、废【fèi】水处理、油漆、化学品);见图1。在结构上【shàng】，流量计包括三个单元：传感【gǎn】器单元、计量单元和【hé】通信单元。这【zhè】些单【dān】元或功【gōng】能块中【zhōng】的每【měi】一个都可以【yǐ】是机械式或电子式。

图1：住宅和工业应用中的流量计示例

在大部分流量计的设【shè】计中，其活动【dòng】部件都【dōu】会【huì】使用机械【xiè】感测。例如，使用电感电容【róng】器(LC)、巨磁电阻(GMR)、隧道式【shì】磁阻(TMR)或霍尔【ěr】效应传感器捕获螺旋桨或叶轮的运动【dòng】，该运动【dòng】根据【jù】流量【liàng】而变化【huà】，并被转换成数据并传递给【gěi】测量单元。因为有活动【dòng】部件，所以可能【néng】会【huì】出现磨损和不【bú】准【zhǔn】确【què】的情况。

这些仪【yí】表的寿【shòu】命【mìng】普遍较短(不到7年)，并且不【bú】能【néng】检测到低流量或小【xiǎo】泄漏。同时【shí】，介【jiè】质【zhì】污染、污垢积聚以及部【bù】件的结【jié】垢和老化也会【huì】影响测量精度【dù】，很可能导致传感【gǎn】器结果不准确，因此【cǐ】还需要定【dìng】期对流量计进行重新校准。图2所示为带有【yǒu】LC传感【gǎn】器的【de】旋转式水表 。

图2：使用LC传感器的旋转式流量计

超声波传感避免了上述几个问题。该传感技术非常精确【què】(<±1%)，具有较长使用寿命【mìng】(> 10年)，可以方【fāng】便地检测不同【tóng】成分【fèn】的液体或气体【tǐ】，并【bìng】调整介质和【hé】管道腐蚀污染的影【yǐng】响【xiǎng】。超声波仪表没有活动【dòng】部件，因此无需重新校【xiào】准。

用【yòng】于流量【liàng】测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。使用一定频率的电脉【mò】冲信号激发超【chāo】声波传感器从而【ér】产生【shēng】相应频率的超声波，并使用同一声波【bō】传输路径【jìng】从两个【gè】对立的方向在不同【tóng】时段发射声【shēng】波并【bìng】测量【liàng】声波传输时间【jiān】(记【jì】为【wéi】上行传输时间和下【xià】行传输【shū】时间,TOF,Time of flight)。通【tōng】过计【jì】算上下行传输【shū】时间的绝对时间差，进【jìn】而计算【suàn】出实际【jì】流量。

安装在流管内部或外【wài】部的【de】一对或多【duō】对超声波传感器可以用【yòng】来测量TOF。图3所示【shì】为简易的【de】超【chāo】声波测【cè】量原【yuán】理和一些【xiē】常见的超声波传感器布置【zhì】扑。超声波传【chuán】感器的选择【zé】取决【jué】于待测流【liú】体【tǐ】的介质类型。通常【cháng】，待测流体为液体时使【shǐ】用【yòng】频率大于等于1MHz的超声波传感【gǎn】器，待测【cè】流体为【wéi】气体时使【shǐ】用【yòng】频率【lǜ】小于等于500kHz的超声波传感器。

图3：超声波测量原理和常见的超声波传感器布置拓扑

TOF测量的精确【què】度将直接影响【xiǎng】流量计量的分辨率和【hé】精【jīng】度【dù】。TOF通常以皮秒(ps)或【huò】纳秒【miǎo】(ns)计量，它的主要参【cān】数包括零【líng】流量【liàng】漂移(ZFD)、标准偏差(STD)、最小和最大可检测流量、流量、流速、体积、绝对值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流量表行业标准;最常见的【de】是国【guó】际标准化组织(ISO)4064、国际法制计量组织【zhī】(OIML)R49和欧【ōu】洲标准(EN)1434。TI的超声波流量表方案能【néng】够达到符合标准的【de】高水【shuǐ】平精度要求。

TI的【de】 MSP430FR6047 微控制【zhì】器【qì】(MCU)是一款用【yòng】于液体计【jì】量的高【gāo】度集成的片上系统(SoC)，专【zhuān】门针对使用【yòng】超声【shēng】波传感技术测【cè】量精确TOF的需求量【liàng】身【shēn】定制，具有【yǒu】基于模拟数字转换器(ADC)的波形捕【bǔ】获技术。图4所示为MSP430™MCU和超声波换【huàn】能器的连接示【shì】意图。

图4：MSP430FR6047和超声波换能器连接示意图

一对超声【shēng】波换能器可以直【zhí】接【jiē】与MSP430FR6047 MCU集成的超声波外设(USS)连接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以【yǐ】灵活的【de】对每个【gè】传感【gǎn】器【qì】进行独立的激【jī】励【lì】和响应捕获。USS再将捕获的波【bō】形采用多种数字信号处理算法进行下一步处【chù】理。MSP430FR6047 MCU中采用【yòng】的波形【xíng】捕获技术和处理方法【fǎ】能够得到一流的分辨率【lǜ】(<5ps) —— 对【duì】住宅和工业应用中【zhōng】的液体和【hé】气体【tǐ】流量检测是【shì】一【yī】个突【tū】破性系【xì】统设计。

目前大多数【shù】超声波流量计都是电池供电的【de】，然而基于MSP430FR6047 MCU的【de】超声波流量表解决【jué】方案的平均耗电【diàn】量仅为3 μA，从而能【néng】够达【dá】到10多年的使【shǐ】用寿命【mìng】。此外，您【nín】可以轻松地将【jiāng】此方案扩展到热量计。

用于流量测量【liàng】的【de】超声波传【chuán】感集成了以【yǐ】下优势：尺寸更小、成【chéng】本更低、精度和【hé】稳【wěn】定性提【tí】高、延长产品寿【shòu】命、可与智能电网【wǎng】连接等【děng】。