【導讀】本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)超(chao)聲(sheng)波(bo)流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)智(zhi)能(neng)水(shui)表(biao)中(zhong)的(de)操(cao)作(zuo)和(he)集(ji)成(cheng)
，並(bing)簡(jian)要(yao)回(hui)顧(gu)了(le)住(zhu)宅(zhai)水(shui)表(biao)精(jing)度(du)的(de)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)。然(ran)後(hou)舉(ju)例(li)說(shuo)明(ming)了(le)適(shi)用(yong)於(yu)這(zhe)些(xie)水(shui)表(biao)的(de)組(zu)件(jian)，包(bao)括(kuo) Audiowell 的超聲波傳感器組件
，Texas Instruments 的模擬前端 (AFE)、時間數字轉換器 (TDC) IC、微控製器單元和評估板，以及“支持”組件，包括 Silicon Labs 支持安全啟動的射頻收發器，以及 Tadiran 的長壽命一次電池。最後，本文提出了一些關於提高超聲波流量計精度的建議。

kuodahegaijinzhinengshuijiliangshiyouxiaoshuiguanlideyigejibenyaosu。jiliangyouzhuyushibiehedingweigongshuixitongzhongdeloushuidian
，bingnengbangzhuyonghuzaiganhanhuoqitagongshuixianzhiqijiangaishanjieshui。zaigongye
、商業和住宅環境中

，超聲波流量計技術得到越來越多的采用。與傳統的機械水表相比，這些水表有幾個優點：沒有活動部件，因此最大程度地減少了維護並提升了可靠性；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(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)超(chao)聲(sheng)波(bo)流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)智(zhi)能(neng)水(shui)表(biao)中(zhong)的(de)操(cao)作(zuo)和(he)集(ji)成(cheng)，並(bing)簡(jian)要(yao)回(hui)顧(gu)了(le)住(zhu)宅(zhai)水(shui)表(biao)精(jing)度(du)的(de)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)。然(ran)後(hou)舉(ju)例(li)說(shuo)明(ming)了(le)適(shi)用(yong)於(yu)這(zhe)些(xie)水(shui)表(biao)的(de)組(zu)件(jian)，包(bao)括(kuo) Audiowell 的超聲波傳感器組件，Texas Instruments 的模擬前端 (AFE)
、時間數字轉換器 (TDC) IC、微控製器單元和評估板
，以及“支持”組件
，包括 Silicon Labs 支持安全啟動的射頻收發器，以及 Tadiran 的長壽命一次電池。最後，本文提出了一些關於提高超聲波流量計精度的建議。

典dian型xing的de時shi差cha式shi超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji包bao括kuo兩liang個ge壓ya電dian換huan能neng器qi，用yong於yu產chan生sheng兩liang束shu超chao聲sheng波bo脈mai衝chong
，以yi相xiang反fan的de方fang向xiang在zai水shui流liu中zhong傳chuan播bo。順shun流liu與yu逆ni流liu脈mai衝chong之zhi間jian的de渡du越yue時shi間jian（ToF，或傳播時間）差用於測量水的流速。其他功能模塊包括（圖 1）：

· 每個壓電換能器的聲學反射鏡

· 一個渡越 ToF IC，通常包含兩個 IC，一個用於與換能器交互的模擬前端，一個用來測量 ToF 的單獨的皮秒級精度秒表

· 一個微控製器

，用於計算流量並與通信 IC 和可選的顯示屏連接

· 一塊長壽命電池或其他電源（未顯示）

圖 1：兩束超聲波脈衝向相反方向發送。順流（藍色）與逆流（紅色）脈衝之間的渡越時間（傳播時間）差用於測量水的流速。（圖片來源：Audiowell）

在每束超聲波脈衝開始時
，會產生一個“開始”信號

，標誌著 ToF 測量的開始。當脈衝到達接收器時，會產生一個“停止”信號
，“開始”與“停止”之間的時間間隔用於根據秒表功能確定 ToF。dangmeiyoushuiliushi
，duyueshijiandeceliangwanquanxiangtong。zaizhengchangliudongtiaojianxia
，niliubohuibishunliubochuanbodegengman。ruguoshuifanxiangliudong，zebochuanbosudujiangxiangduiyuchuanganqifanzhuan。

住宅水表精度的標準

適用於住宅應用的流量計必須滿足各種標準。例如，國際法製計量組織 (OIML) 對水表最大容許誤差 (MPE) 規定了計量要求，並采用一係列稱為 Q1、Q2、Q3 和 Q4 的值來定義（表 1）。

流速區        說明

Q1           水表可在最大容許誤差範圍內運行的最低流速。

Q2           常設流速和最低流速之間的流速，將流速範圍劃分為各自具有特定最大容許誤差的兩個區：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範圍內運行。

Q4           水表在短時間內能符合最大容許誤差要求，隨後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 標準基於一係列四個流速區。（表格來源：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 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 時為 ±1%，溫度高於 +30°C 時為 ±2%。

2 級水表

   ·無論溫度如何，低流速區的 MPE 為 ±5%。

   ·高流速區的 MPE 在溫度 0.1 至 +30°C 時為 ±2%
，溫度高於 +30°C 時為 ±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於 ToF 智能水表（圖 2）。其特點是壓力損失小，可靠性高，精度為 ±2.5%。該傳感器的額定工作溫度範圍為 0.1 至 +50°C，在 1 MHz 下的最大輸入為 5 V 峰峰值，設計用於 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。（圖片來源：Audiowell）

Texas Instruments (TI) 提供了三款 IC 產品，以供設計人員能夠在超聲波 ToF 水表中配合 HS0014-000 使用。TDC1000 是一款適用於超聲感測的完全集成式 AFE。該器件可進行編程並可針對多個發射脈衝
、頻率、信號閾值和增益進行設置
，適用於工作頻率從 31.25 kHz 到 4 MHz 的換能器
，並具有不同的品質 (Q) 因數。TDC1000 采用低功耗工作模式，適用於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。（圖片來源：Texas Instruments）

TI 的第二款 IC 是 TDC7200，即一個 TDC 和皮秒級精度的秒表（圖 4）。該gai器qi件jian內nei部bu有you一yi個ge自zi校xiao準zhun時shi基ji
，能neng夠gou實shi現xian皮pi秒miao級ji的de轉zhuan換huan精jing度du，支zhi持chi低di流liu量liang和he無wu流liu量liang條tiao件jian下xia的de精jing確que測ce量liang。此ci外wai，自zi主zhu多duo周zhou期qi平ping均jun模mo式shi可ke用yong於yu讓rang主zhu機ji MCU 進入睡眠模式以節省電力，MCU 隻有在 TDC7200 完成測量序列後才會被喚醒。

圖 4：TDC7200 TDC 和皮秒級精度的秒表設計用於配合 TDC1000 AFE 使用。（圖片來源：Texas Instruments）

TI 還提供了 MSP430FR6047，這是一款超低功耗的 MCU，集(ji)成(cheng)了(le)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)，可(ke)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)和(he)準(zhun)確(que)測(ce)量(liang)。該(gai)器(qi)件(jian)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)用(yong)於(yu)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)的(de)低(di)能(neng)耗(hao)加(jia)速(su)器(qi)
，讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)優(you)化(hua)功(gong)耗(hao)以(yi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。MSP430FR600x MCU 還集成了幾個對智能計量設計有用的外設，包括：

· LCD 驅動器

· 實時時鍾 (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

· 循環冗餘校驗 (CRC) 模塊

超聲波測量計 EVB

為了加快開發進程並縮短上市時間
，設計人員可以使用 EVM430-FR6047 來評估 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
，包括一個用於顯示測量值的板載 LCD 以及用於集成射頻通信模塊的連接器。

圖 5：EVM430-FR6047 可用於評估 MSP430FR6047 在水表中的超聲波 ToF 感測性能。（圖片來源：Texas Instruments）

支持組件

Silicon Laboratories 的 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 無線 SoC 是一種單芯片解決方案
，將 38.4 MHz Cortex-M33 與高性能 2.4 GHz 無線電和集成的安全功能相結合
，可提供快速加密、安全啟動加載和調試訪問控製（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 結合了超低的發射和接收功率（發射為 +6 dBm 時 8.2 mA
，接收為 3.6 mA）與 1.2 μA 的深度睡眠模式功率，並提供了強大的射頻 (RF) 鏈路
，以在智能水表和類似應用中實現可靠通信和高能效。

圖 6：EFR32FG22 Series 2 無線 SoC 包括一個 38.4 MHz ARM Cortex-M33 內核
，具有快速加密和安全啟動加載功能。（圖片來源：Digi-Key）

Tadiran 的線軸型亞硫酰氯鋰 (LiSOCl2) 電池如帶焊片的 TL-5920/T（圖 7）和帶標準連接的 TL-5920/S，特別適合用於水、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) 時標稱容量為 8.5 Ah，額定電壓為 3.6 V
，額定最大連續電流為 230 mA

，額定最大脈衝電流為 400 mA，工作溫度範圍為 -55 至 +85°C。這些電池的續航時間可達 20 到 30 年，這與儀表壽命一樣長
，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。（圖片來源：Digi-Key）

提高精度

補償、校準和阻抗匹配技術可用於提高超聲波 ToF 水表的精度。

· 超聲波 ToF 水(shui)表(biao)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)受(shou)限(xian)於(yu)聲(sheng)速(su)的(de)恒(heng)定(ding)程(cheng)度(du)
，以(yi)及(ji)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)的(de)精(jing)度(du)。聲(sheng)速(su)會(hui)隨(sui)著(zhe)密(mi)度(du)和(he)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)。為(wei)了(le)針(zhen)對(dui)聲(sheng)速(su)變(bian)化(hua)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)和(he)調(tiao)整(zheng)，應(ying)增(zeng)加(jia)補(bu)償(chang)。

· 超聲波 ToF 水表通常在工廠進行幹式校準。校準參數可能包括換能器、電子器件和電纜造成的時間延遲，每個聲學路徑所需的任何 ΔToF 偏移校正，以及設計相關的幾何參數。工廠校準可提高低流量和無流量條件下的精度，並且在高流量條件下不應影響精度。

· 為了最小化或消除靜態流條件下的 ΔToF 偏移，需要一對高度對稱的發射和接收信號路徑。阻抗匹配解決方案可用於控製每個路徑的阻抗。這可簡化 ΔToF 校準
，並實現工作壓力和溫度範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

在住宅
、工業和商業應用中
，超聲波 ToF zhinengshuibiaodeshichangfenebuduanzengjia，takebangzhushibiehedingweigongshuixitongzhongdeloushuidian
，bingweiyonghutigonggaishanjieshuisuoxudexinxi。yadianhuannengqikeyongyuchanshengyixiangfanfangxiangzaishuiliuzhongchuanbodeliangshuchaoshengbomaichong。shunliuheniliumaichongzhijiande ToF 差可用於測量水的流速
，並可支持雙向流量測量。這些儀表沒有活動部件，因而具有較高的可靠性和能效。OIML 製定了水表 MPE 分級的國際標準。補償技術、校準和阻抗匹配可用於提高這些水表的精度。

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