超声波技术已在民用、医疗【liáo】和军事【shì】应用中有上百年【nián】的历史。几乎【hū】每个人【rén】都经历过医疗超声【shēng】波技【jì】术(如B超)。目前，最新的超声波应用已发【fā】展到工业【yè】和汽【qì】车市场的【de】自动【dòng】化中。

超【chāo】声波技术的非接触【chù】性质使其成为医疗、制药、军事【shì】和工厂用途的绝佳选择。此外【wài】，其操【cāo】作环境【jìng】也【yě】大大【dà】超出人们所【suǒ】了解的范围。

流量计量是以每小时升【shēng】(lph)或加仑【lún】/分【fèn】钟(gpm)为单位测【cè】量液体或气体的流量【liàng】。流量计可用于住宅和工业环境中，包【bāo】括【kuò】住宅和【hé】工业仪表中的简【jiǎn】易【yì】功用表(气表、水【shuǐ】表、热【rè】量【liàng】计)或危险液体或气体用混合器(石油、采矿、废【fèi】水处理、油【yóu】漆【qī】、化学品);见图1。在【zài】结构【gòu】上【shàng】，流【liú】量计包括三个单元：传感器单元、计量单元和通信【xìn】单元。这些单元【yuán】或功能【néng】块中的每【měi】一个都【dōu】可以是机【jī】械式【shì】或电子式。

图1：住宅和工业应用中的流量计示例

在大部【bù】分流【liú】量计【jì】的设计中，其活动部【bù】件都会【huì】使用机械感测。例【lì】如，使用电感电容器(LC)、巨【jù】磁电阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或霍尔效应传感器【qì】捕【bǔ】获【huò】螺旋桨或叶轮的【de】运动，该运【yùn】动根据流【liú】量而变化，并被转【zhuǎn】换【huàn】成数据并传递给测【cè】量【liàng】单【dān】元。因为有活动【dòng】部件，所【suǒ】以可能会出现磨损和【hé】不准确的情况。

这【zhè】些仪表的寿【shòu】命普遍较短(不到7年)，并且不能检【jiǎn】测到低流量或小泄【xiè】漏【lòu】。同时，介质污染【rǎn】、污垢积聚【jù】以及部件的【de】结【jié】垢和老化也会影响测量精度【dù】，很【hěn】可【kě】能导致传【chuán】感器结果不准确，因此还需要定期对【duì】流量计进行重新校准。图2所示为带【dài】有LC传感器的旋【xuán】转式水表【biǎo】 。

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(<±1%)，具有较【jiào】长使用寿命(> 10年【nián】)，可以方【fāng】便地【dì】检测不同成【chéng】分的液体或【huò】气体，并调整介质【zhì】和管道腐【fǔ】蚀污染的影响【xiǎng】。超【chāo】声波仪表没有活动部件，因【yīn】此【cǐ】无需重【chóng】新校准。

用于流量测量的【de】超声波频率范围为100kHz至【zhì】4MHz。使用一定频【pín】率的电脉【mò】冲信号激发超声波传感器从而【ér】产生相应频【pín】率【lǜ】的超声波，并【bìng】使用同一声波传【chuán】输路【lù】径【jìng】从两个对立的方向【xiàng】在不同【tóng】时【shí】段发射声波并测量声波传【chuán】输时间(记为【wéi】上行传输时间和下行【háng】传输时间,TOF,Time of flight)。通【tōng】过计【jì】算上【shàng】下行传输时间的【de】绝对时【shí】间差，进而计【jì】算出【chū】实际流量。

安装在流【liú】管内部或外【wài】部的一对或多对超声【shēng】波【bō】传【chuán】感器可以用来测量【liàng】TOF。图3所示为【wéi】简【jiǎn】易【yì】的超声波测量原【yuán】理和一些常见的超声波传感【gǎn】器布置扑。超声波传感器【qì】的【de】选择取决【jué】于待测流体的介质类型。通常，待测流体为液【yè】体时使用频率大于等【děng】于【yú】1MHz的【de】超声波传感器，待【dài】测流体为气【qì】体【tǐ】时使用频率【lǜ】小于等于500kHz的超声波传感【gǎn】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【liàng】的【de】精确度将【jiāng】直接影响流量【liàng】计量的分辨率和精度【dù】。TOF通常以皮秒(ps)或纳秒(ns)计量，它的主要参数包括零流量【liàng】漂移(ZFD)、标准偏【piān】差(STD)、最小和最大可检【jiǎn】测流量、流量【liàng】、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【shì】国【guó】际标准化【huà】组织(ISO)4064、国【guó】际【jì】法制计【jì】量组织【zhī】(OIML)R49和欧【ōu】洲标准(EN)1434。TI的超声波【bō】流量表方案能够达到符合标准【zhǔn】的高水平精度【dù】要求。

TI的【de】 MSP430FR6047 微【wēi】控【kòng】制器(MCU)是【shì】一款【kuǎn】用【yòng】于【yú】液体【tǐ】计量的高度集成的片上【shàng】系统(SoC)，专门针【zhēn】对使用超声波传感技术测【cè】量精确【què】TOF的需求【qiú】量身定制，具有基于【yú】模拟数字转换器(ADC)的波形捕获技【jì】术【shù】。图4所示为MSP430™MCU和超声波换能器的连接示意图。

图4：MSP430FR6047和超声波换能器连接示意图

一对超声波换能器可【kě】以直接与MSP430FR6047 MCU集成【chéng】的超声【shēng】波外设(USS)连接。USS使【shǐ】用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以灵活的对每个传感器进【jìn】行独立的激励和响应捕获【huò】。USS再将捕获的波形采用多种数字信号【hào】处理算法进行下【xià】一步处理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形【xíng】捕获技术和处【chù】理【lǐ】方法能够【gòu】得【dé】到一流【liú】的分辨率(<5ps) —— 对住宅和工业应【yīng】用中的液体和气体【tǐ】流量检【jiǎn】测是一个突破性【xìng】系统【tǒng】设【shè】计【jì】。

目【mù】前大【dà】多数【shù】超声波流量计【jì】都是电池供电的，然而【ér】基【jī】于MSP430FR6047 MCU的超声波流量表解决方案的平【píng】均耗电量【liàng】仅为3 μA，从而能够达【dá】到10多年【nián】的使【shǐ】用寿命【mìng】。此【cǐ】外，您可以轻松地将此方案扩【kuò】展到热量计。

用于流【liú】量【liàng】测【cè】量的超【chāo】声波传【chuán】感【gǎn】集成了以下优势：尺寸更小、成本【běn】更【gèng】低、精度和稳定性提高、延长【zhǎng】产品寿命、可【kě】与智能电【diàn】网连接等。