【導讀】本文介紹了超聲波流量傳感器在智能水表中的操作和集成，并簡(jiǎn)要回顧了住宅水表精度的國際標準。然后舉例說(shuō)明了適用于這些水表的組件，包括 Audiowell 的超聲波傳感器組件，Texas Instruments 的模擬前端 (AFE)、時(shí)間數字轉換器 (TDC) IC、微控制器單元和評估板，以及“支持”組件，包括 Silicon Labs 支持安全啟動(dòng)的射頻收發(fā)器，以及 Tadiran 的長(cháng)壽命一次電池。最后，本文提出了一些關(guān)于提高超聲波流量計精度的建議。
擴大和改進(jìn)智能水計量是有效水管理的一個(gè)基本要素。計量有助于識別和定位供水系統中的漏水點(diǎn)，并能幫助用戶(hù)在干旱或其他供水限制期間改善節水。在工業(yè)、商業(yè)和住宅環(huán)境中，超聲波流量計技術(shù)得到越來(lái)越多的采用。與傳統的機械水表相比，這些水表有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有活動(dòng)部件，因此最大程度地減少了維護并提升了可靠性；功耗低，一塊電池可以維持運行多年；精度高；以及可設計為支持雙向測量。
本文介紹了超聲波流量傳感器在智能水表中的操作和集成，并簡(jiǎn)要回顧了住宅水表精度的國際標準。然后舉例說(shuō)明了適用于這些水表的組件，包括 Audiowell 的超聲波傳感器組件，Texas Instruments 的模擬前端 (AFE)、時(shí)間數字轉換器 (TDC) IC、微控制器單元和評估板，以及“支持”組件，包括 Silicon Labs 支持安全啟動(dòng)的射頻收發(fā)器，以及 Tadiran 的長(cháng)壽命一次電池。最后，本文提出了一些關(guān)于提高超聲波流量計精度的建議。
典型的時(shí)差式超聲波流量計包括兩個(gè)壓電換能器，用于產(chǎn)生兩束超聲波脈沖，以相反的方向在水流中傳播。順流與逆流脈沖之間的渡越時(shí)間（ToF，或傳播時(shí)間）差用于測量水的流速。其他功能模塊包括（圖 1）：
· 每個(gè)壓電換能器的聲學(xué)反射鏡
· 一個(gè)渡越 ToF IC，通常包含兩個(gè) IC，一個(gè)用于與換能器交互的模擬前端，一個(gè)用來(lái)測量 ToF 的單獨的皮秒級精度秒表
· 一個(gè)微控制器，用于計算流量并與通信 IC 和可選的顯示屏連接
· 一塊長(cháng)壽命電池或其他電源（未顯示）
圖 1：兩束超聲波脈沖向相反方向發(fā)送。順流（藍色）與逆流（紅色）脈沖之間的渡越時(shí)間（傳播時(shí)間）差用于測量水的流速。（圖片來(lái)源：Audiowell）
在每束超聲波脈沖開(kāi)始時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)“開(kāi)始”信號，標志著(zhù) ToF 測量的開(kāi)始。當脈沖到達接收器時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)“停止”信號，“開(kāi)始”與“停止”之間的時(shí)間間隔用于根據秒表功能確定 ToF。當沒(méi)有水流時(shí)，渡越時(shí)間的測量完全相同。在正常流動(dòng)條件下，逆流波會(huì )比順流波傳播得更慢。如果水反向流動(dòng)，則波傳播速度將相對于傳感器反轉。
住宅水表精度的標準
適用于住宅應用的流量計必須滿(mǎn)足各種標準。例如，國際法制計量組織 (OIML) 對水表最大容許誤差 (MPE) 規定了計量要求，并采用一系列稱(chēng)為 Q1、Q2、Q3 和 Q4 的值來(lái)定義（表 1）。
流速區 說(shuō)明
Q1 水表可在最大容許誤差范圍內運行的最低流速。
Q2 常設流速和最低流速之間的流速，將流速范圍劃分為各自具有特定最大容許誤差的兩個(gè)區：高流速區和低流速區。
Q3 額定工作條件下的最高流速，在此流速下，水表可在最大容許誤差范圍內運行。
Q4 水表在短時(shí)間內能符合最大容許誤差要求，隨后在額定工作條件下仍能保持計量特性的最高流速。
表 1：OIML 住宅水表 MPE 標準基于一系列四個(gè)流速區。（表格來(lái)源：Texas Instruments）
Q3 的數值以單位 m3/h 和比值 Q3/Q1 指定一款水表。Q3 的值和 Q3/Q1 的比值可參見(jiàn) OIML 標準所包含的列表。根據 MPE，水表定義為 1 級或 2 級。
1 級水表
·無(wú)論溫度如何，低流速區（Q1 和 Q2 之間）的 MPE 為 ±3%。
·高流速區（Q2 和 Q4 之間）的 MPE 在溫度 0.1 至 +30°C 時(shí)為 ±1%，溫度高于 +30°C 時(shí)為 ±2%。
2 級水表
·無(wú)論溫度如何，低流速區的 MPE 為 ±5%。
·高流速區的 MPE 在溫度 0.1 至 +30°C 時(shí)為 ±2%，溫度高于 +30°C 時(shí)為 ±3%。
超聲波冷水流量管
Audiowell 的 HS0014-000 超聲波流量傳感器由一對裝在 DN15 聚合物管中的超聲波流量換能器和對應的反射器組成，設計人員可以將其用于 ToF 智能水表（圖 2）。其特點(diǎn)是壓力損失小，可靠性高，精度為 ±2.5%。該傳感器的額定工作溫度范圍為 0.1 至 +50°C，在 1 MHz 下的最大輸入為 5 V 峰峰值，設計用于 OIML 標準中規定的 2 級住宅應用。
圖 2：HS0014-000 超聲波流量傳感器包括一對裝在聚合物管中的超聲波流量換能器。（圖片來(lái)源：Audiowell）
Texas Instruments (TI) 提供了三款 IC 產(chǎn)品，以供設計人員能夠在超聲波 ToF 水表中配合 HS0014-000 使用。TDC1000 是一款適用于超聲感測的完全集成式 AFE。該器件可進(jìn)行編程并可針對多個(gè)發(fā)射脈沖、頻率、信號閾值和增益進(jìn)行設置，適用于工作頻率從 31.25 kHz 到 4 MHz 的換能器，并具有不同的品質(zhì) (Q) 因數。TDC1000 采用低功耗工作模式，適用于電池供電的智能超聲波 ToF 流量計設計。
圖 3：TDC1000 是一款完全集成式 AFE，可在 ToF 智能水表設計中與 HS0014-000 配對使用。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
TI 的第二款 IC 是 TDC7200，即一個(gè) TDC 和皮秒級精度的秒表（圖 4）。該器件內部有一個(gè)自校準時(shí)基，能夠實(shí)現皮秒級的轉換精度，支持低流量和無(wú)流量條件下的精確測量。此外，自主多周期平均模式可用于讓主機 MCU 進(jìn)入睡眠模式以節省電力，MCU 只有在 TDC7200 完成測量序列后才會(huì )被喚醒。
圖 4：TDC7200 TDC 和皮秒級精度的秒表設計用于配合 TDC1000 AFE 使用。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
TI 還提供了 MSP430FR6047，這是一款超低功耗的 MCU，集成了超聲波傳感模擬前端，可實(shí)現精確和準確測量。該器件包括一個(gè)用于信號處理的低能耗加速器，讓設計人員能夠優(yōu)化功耗以延長(cháng)電池壽命。MSP430FR600x MCU 還集成了幾個(gè)對智能計量設計有用的外設，包括：
· LCD 驅動(dòng)器
· 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)
· 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模數轉換器 (ADC)
· 模擬比較器
· AES256 加密加速器
· 循環(huán)冗余校驗 (CRC) 模塊
超聲波測量計 EVB
為了加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程并縮短上市時(shí)間，設計人員可以使用 EVM430-FR6047 來(lái)評估 MSP430FR6047 MCU 在智能水表中的超聲波感測性能（圖 5）。該 EVM 支持從 50 kHz 到 2.5 MHz 的各種換能器，包括一個(gè)用于顯示測量值的板載 LCD 以及用于集成射頻通信模塊的連接器。
圖 5：EVM430-FR6047 可用于評估 MSP430FR6047 在水表中的超聲波 ToF 感測性能。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
支持組件
Silicon Laboratories 的 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 無(wú)線(xiàn) SoC 是一種單芯片解決方案，將 38.4 MHz Cortex-M33 與高性能 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電和集成的安全功能相結合，可提供快速加密、安全啟動(dòng)加載和調試訪(fǎng)問(wèn)控制（圖 6）。該器件的最大功率輸出高達 6 dBm，接收靈敏度為 -102.1 (250 Kbps OQPSK) dBm。EFR32FG22C121F512GM32 結合了超低的發(fā)射和接收功率（發(fā)射為 +6 dBm 時(shí) 8.2 mA，接收為 3.6 mA）與 1.2 μA 的深度睡眠模式功率，并提供了強大的射頻 (RF) 鏈路，以在智能水表和類(lèi)似應用中實(shí)現可靠通信和高能效。
圖 6：EFR32FG22 Series 2 無(wú)線(xiàn) SoC 包括一個(gè) 38.4 MHz ARM Cortex-M33 內核，具有快速加密和安全啟動(dòng)加載功能。（圖片來(lái)源：Digi-Key）
Tadiran 的線(xiàn)軸型亞硫酰氯鋰 (LiSOCl2) 電池如帶焊片的 TL-5920/T（圖 7）和帶標準連接的 TL-5920/S，特別適合用于水、燃氣和電力智能儀表。這些一次電池在以 3 mA 的速率放電至 2 V 的端電壓 (V) 時(shí)標稱(chēng)容量為 8.5 Ah，額定電壓為 3.6 V，額定最大連續電流為 230 mA，額定最大脈沖電流為 400 mA，工作溫度范圍為 -55 至 +85°C。這些電池的續航時(shí)間可達 20 到 30 年，這與儀表壽命一樣長(cháng)，因此不需要昂貴的電池更換成本。
圖 7：TL-5920/T 等 LiSOCl2 電池可續航 30 年，非常適合智能水表應用。（圖片來(lái)源：Digi-Key）
提高精度
補償、校準和阻抗匹配技術(shù)可用于提高超聲波 ToF 水表的精度。
· 超聲波 ToF 水表的測量精度受限于聲速的恒定程度，以及信號處理電子器件的精度。聲速會(huì )隨著(zhù)密度和溫度的變化而變化。為了針對聲速變化和信號處理電路中的任何變化進(jìn)行校準和調整，應增加補償。
· 超聲波 ToF 水表通常在工廠(chǎng)進(jìn)行干式校準。校準參數可能包括換能器、電子器件和電纜造成的時(shí)間延遲，每個(gè)聲學(xué)路徑所需的任何 ΔToF 偏移校正，以及設計相關(guān)的幾何參數。工廠(chǎng)校準可提高低流量和無(wú)流量條件下的精度，并且在高流量條件下不應影響精度。
· 為了最小化或消除靜態(tài)流條件下的 ΔToF 偏移，需要一對高度對稱(chēng)的發(fā)射和接收信號路徑。阻抗匹配解決方案可用于控制每個(gè)路徑的阻抗。這可簡(jiǎn)化 ΔToF 校準，并實(shí)現工作壓力和溫度范圍內零流量下非常小的誤差漂移，即使換能器不是完全匹配。
結語(yǔ)
在住宅、工業(yè)和商業(yè)應用中，超聲波 ToF 智能水表的市場(chǎng)份額不斷增加，它可幫助識別和定位供水系統中的漏水點(diǎn)，并為用戶(hù)提供改善節水所需的信息。壓電換能器可用于產(chǎn)生以相反方向在水流中傳播的兩束超聲波脈沖。順流和逆流脈沖之間的 ToF 差可用于測量水的流速，并可支持雙向流量測量。這些儀表沒(méi)有活動(dòng)部件，因而具有較高的可靠性和能效。OIML 制定了水表 MPE 分級的國際標準。補償技術(shù)、校準和阻抗匹配可用于提高這些水表的精度。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
如何選擇最適合你的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)？
