国产亚洲第一伦理第一区

超聲波技術已(yi)在民用、醫療和軍(jun)事應(ying)用中有上百年的(de)歷史。幾乎(hu)每個人都經歷過醫療超(chao)聲(sheng)波技術(shu)(如B超(chao))。目前，最新的(de)超(chao)聲(sheng)波應(ying)用已(yi)發(fa)展到(dao)工(gong)業和汽車市場的(de)自動化(hua)中。

超聲波技術的(de)非接觸性質使其成為醫(yi)療(liao)、制藥、軍事(shi)和工廠用途的(de)絕佳選擇。此外，其操作環境也(ye)大大超出人們(men)所了解的(de)范圍(wei)。

流量計量是(shi)以(yi)每小時升(sheng)(lph)或(huo)(huo)加(jia)侖/分鐘(gpm)為(wei)單(dan)(dan)(dan)位測量(liang)液體(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)的流(liu)量(liang)。流(liu)量(liang)計(ji)可用于(yu)住宅和(he)工(gong)業環(huan)境(jing)中，包(bao)括住宅和(he)工(gong)業儀表(biao)中的簡易功用表(biao)(氣表(biao)、水(shui)表(biao)、熱量(liang)計(ji))或(huo)(huo)危險液體(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)用混合器(石油、采礦、廢水(shui)處理、油漆(qi)、化學品);見圖1。在結(jie)構(gou)上，流(liu)量(liang)計(ji)包(bao)括三(san)個單(dan)(dan)(dan)元(yuan)：傳(chuan)感器單(dan)(dan)(dan)元(yuan)、計(ji)量(liang)單(dan)(dan)(dan)元(yuan)和(he)通信單(dan)(dan)(dan)元(yuan)。這些單(dan)(dan)(dan)元(yuan)或(huo)(huo)功能(neng)塊中的每一個都可以(yi)是(shi)機械式或(huo)(huo)電子式。

圖(tu)1：住宅(zhai)和工(gong)業(ye)應用中的流量計示例

在大部(bu)分流(liu)量(liang)計的設計中，其活(huo)動(dong)部(bu)件都會(hui)使用機械感測。例(li)如，使用電感電容器(LC)、巨磁(ci)電阻(zu)(GMR)、隧道式磁(ci)阻(zu)(TMR)或(huo)霍爾效應傳感器捕獲螺旋(xuan)槳或(huo)葉輪的運(yun)動(dong)，該運(yun)動(dong)根據(ju)流(liu)量(liang)而變化，并被(bei)轉(zhuan)換成數據(ju)并傳遞給測量(liang)單(dan)元。因為有活(huo)動(dong)部(bu)件，所以可能(neng)會(hui)出現(xian)磨(mo)損和(he)不準確(que)的情況。

這些儀(yi)表(biao)的壽命普遍較短(duan)(不到(dao)7年)，并(bing)且不能(neng)檢測(ce)到(dao)低流量(liang)或小泄漏。同時(shi)，介質污染、污垢積(ji)聚以及部件(jian)的結垢和老(lao)化也會影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)精度，很可能(neng)導致(zhi)傳感(gan)器(qi)結果不準確，因此還需要定期對流量(liang)計進行(xing)重新(xin)校(xiao)準。圖2所示(shi)為帶(dai)有LC傳感(gan)器(qi)的旋轉式水表(biao) 。

圖2：使用LC傳(chuan)感(gan)器的旋轉式流(liu)量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常(chang)精確(<±1%)，具有較長使用壽(shou)命(> 10年(nian))，可以方(fang)便(bian)地檢測(ce)不同(tong)成分的(de)液體或氣體，并調(diao)整介質(zhi)和(he)管(guan)道腐蝕污(wu)染的(de)影(ying)響。超聲波儀(yi)表沒有活動(dong)部(bu)件，因此無需重新校準。

用(yong)于(yu)流量(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)頻(pin)率(lv)范圍為(wei)100kHz至4MHz。使用(yong)一(yi)定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)(de)電脈沖(chong)信號激發(fa)超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)傳感(gan)器從(cong)而產生(sheng)相應頻(pin)率(lv)的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)，并使用(yong)同一(yi)聲波(bo)(bo)(bo)傳輸(shu)(shu)路徑從(cong)兩個對立的(de)(de)方向在不同時段發(fa)射(she)聲波(bo)(bo)(bo)并測(ce)量(liang)(liang)聲波(bo)(bo)(bo)傳輸(shu)(shu)時間(jian)(記為(wei)上行傳輸(shu)(shu)時間(jian)和(he)下行傳輸(shu)(shu)時間(jian),TOF,Time of flight)。通(tong)過計算上下行傳輸(shu)(shu)時間(jian)的(de)(de)絕對時間(jian)差，進而計算出實際流量(liang)(liang)。

安(an)裝(zhuang)在流(liu)(liu)管內(nei)部或外部的(de)(de)(de)一對或多對超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)可(ke)以用(yong)來測量TOF。圖3所示為(wei)簡易(yi)的(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)測量原(yuan)理和(he)一些常見的(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)布(bu)置撲。超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)取(qu)決于(yu)待(dai)測流(liu)(liu)體的(de)(de)(de)介(jie)質類型。通常，待(dai)測流(liu)(liu)體為(wei)液(ye)體時(shi)使用(yong)頻(pin)率大于(yu)等于(yu)1MHz的(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，待(dai)測流(liu)(liu)體為(wei)氣體時(shi)使用(yong)頻(pin)率小于(yu)等于(yu)500kHz的(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)。

圖3：超聲(sheng)波測量(liang)原理和常見的(de)超聲(sheng)波傳感器布置拓撲

TOF測量(liang)(liang)的(de)(de)精確度將直接影響(xiang)流量(liang)(liang)計量(liang)(liang)的(de)(de)分辨(bian)率(lv)和精度。TOF通常以皮秒(miao)(miao)(ps)或納秒(miao)(miao)(ns)計量(liang)(liang)，它(ta)的(de)(de)主要參數包括零流量(liang)(liang)漂移(yi)(ZFD)、標準(zhun)偏差(STD)、最小和最大可(ke)檢測流量(liang)(liang)、流量(liang)(liang)、流速、體積、絕對值(zhi)(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流量(liang)(liang)表行業標準(zhun);最常見的(de)(de)是國際(ji)標準(zhun)化組織(ISO)4064、國際(ji)法制計量(liang)(liang)組織(OIML)R49和歐洲標準(zhun)(EN)1434。TI的(de)(de)超聲波流量(liang)(liang)表方案能夠達(da)到符合標準(zhun)的(de)(de)高水(shui)平(ping)精度要求。

TI的(de)(de) MSP430FR6047 微控制器(qi)(MCU)是一款(kuan)用于液體計量的(de)(de)高度集成的(de)(de)片上系統(SoC)，專門(men)針對使用超聲(sheng)波傳感技(ji)術測(ce)量精(jing)確TOF的(de)(de)需求量身定制，具(ju)有基(ji)于模(mo)擬數字轉(zhuan)換器(qi)(ADC)的(de)(de)波形捕獲(huo)技(ji)術。圖4所示為MSP430?MCU和超聲(sheng)波換能器(qi)的(de)(de)連接示意(yi)圖。

圖4：MSP430FR6047和超聲波換能器(qi)連接示(shi)意(yi)圖

一(yi)對(dui)超(chao)聲波(bo)換能(neng)器可(ke)以(yi)直接與MSP430FR6047 MCU集(ji)成的(de)(de)(de)超(chao)聲波(bo)外設(USS)連(lian)接。USS使用(yong)高(gao)速(su)8MSPS的(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可(ke)以(yi)靈(ling)活(huo)的(de)(de)(de)對(dui)每個傳感器進行獨立的(de)(de)(de)激(ji)勵和響應捕獲。USS再將(jiang)捕獲的(de)(de)(de)波(bo)形采用(yong)多種數字信號處(chu)理(li)(li)算法進行下一(yi)步處(chu)理(li)(li)。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的(de)(de)(de)波(bo)形捕獲技術(shu)和處(chu)理(li)(li)方法能(neng)夠得(de)到一(yi)流的(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)住宅(zhai)和工業應用(yong)中的(de)(de)(de)液體和氣(qi)體流量(liang)檢測(ce)是(shi)一(yi)個突破性系統(tong)設計。

目前大多(duo)數超聲(sheng)波流量(liang)(liang)計(ji)都是電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)，然(ran)而(er)基于MSP430FR6047 MCU的(de)超聲(sheng)波流量(liang)(liang)表解(jie)決(jue)方(fang)案的(de)平均耗電(dian)量(liang)(liang)僅為3 μA，從而(er)能夠(gou)達到10多(duo)年(nian)的(de)使用壽命(ming)。此(ci)外，您可以輕(qing)松地將(jiang)此(ci)方(fang)案擴展到熱量(liang)(liang)計(ji)。

用于流量測量的超(chao)聲波傳(chuan)感集(ji)成(cheng)了以下優勢：尺寸更(geng)小、成(cheng)本更(geng)低、精度和穩定性提(ti)高、延長產品壽命、可與智能電網連接等。