超聲波技術的應用

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精確（<±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）。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。下圖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。

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。

 

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，此方案亦可擴展到熱量計。 

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。