工业应用中如何通过超声波技术进行流量计量测量（工业应用中如何通过超声波技术进行流量计量）

超声波技术在民用、医疗和军事应用中的应用已有数百年历史。几乎每个人都经历过医学超声技术（如B超）。目前，最新的超声波应用已发展到工业和汽车市场的自动化领域。超声波技术的非接触性质使其成为医疗、制药、军事和工厂用途的绝佳选择。此外，运行环境也远远超出已知。流量计量是对液体或气体流量的测量，单位为升每小时(lph) 或加仑每分钟(gpm)。流量计可用于住宅和工业环境，包括住宅和工业仪表中作为简单的公用仪表（燃气表、水表、热量计）或危险液体或气体的混合器（石油、采矿、废水处理、油漆、化学品）；如图1所示。流量计在结构上由三个单元组成：传感器单元、计量单元和通讯单元。这些单元或功能块中的每一个可以是机械的或电子的。

图1：住宅和工业应用中的流量计示例。大多数流量计设计对其运动部件使用机械传感。例如，使用电感电容器（LC）、巨磁阻（GMR）、隧道磁阻（TMR）或霍尔效应传感器来捕获螺旋桨或叶轮的运动，该运动根据流量而变化，并转换为数据并传递给测量单位。由于存在移动部件，因此可能会出现磨损和不准确的情况。这些仪表的使用寿命通常较短（不到7 年），并且无法检测低流量或小泄漏。同时，介质污染、污垢堆积以及部件结垢和老化也会影响测量精度，可能导致传感器结果不准确。因此，流量计也需要定期重新校准。图2 显示了带有LC 传感器的旋转水表。

图2：使用LC 传感器的旋转流量计的超声波传感避免了上述几个问题。该传感技术非常准确（1%），使用寿命长（10年），可以轻松检测不同成分的液体或气体，并针对介质和管道的腐蚀和污染的影响进行调整。超声波流量计没有移动部件，因此无需重新校准。用于流量测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。利用一定频率的电脉冲信号激励超声波传感器产生相应频率的超声波，利用同一声波传输路径在不同时间从两个相反方向发射声波，测量声波传输时间（记录为上行传输时间和下行传输时间（TOF，Time of Flight）。通过计算上下行传输时间的绝对时间差，计算出实际流量。安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可用于测量TOF。图3 显示了简单的超声波测量原理和一些常见的超声波传感器布置。超声波传感器的选择取决于被测流体的介质类型。通常，当被测流体为液体时，采用频率大于或等于1MHz的超声波传感器，当被测流体为气体时，采用频率小于或等于500kHz的超声波传感器用来。

图3：超声波测量原理及常见超声波传感器排列拓扑TOF测量的精度将直接影响流量测量的分辨率和精度。 TOF 通常以皮秒(ps) 或纳秒(ns) 为单位进行测量。其主要参数包括零流量漂移（ZFD）、标准偏差（STD）、最小和最大可检测流量、流量、流速、体积、绝对值（Abs）TOF和Delta（）TOF。流量计行业标准；最常见的是国际标准化组织(ISO) 4064、国际法定计量组织(OIML) R49 和欧洲标准(EN) 1434。TI 的超声波流量计解决方案能够实现标准要求的高准确度。 TI 的MSP430FR6047 微控制器(MCU) 是一款用于液体计量的高度集成片上系统(SoC)，专门针对使用超声波传感技术测量精确TOF 的需求而定制，具有基于模数转换器(ADC) 的功能波形捕获技术。图4 显示了MSP430 MCU 与超声波换能器的连接图。

图4：MSP430FR6047 与超声波换能器连接原理图。一对超声波换能器可直接连接到与MSP430FR6047 MCU 集成的超声波外设(USS)。 USS采用高速8MSPS - ADC，灵活地对每个传感器进行独立的激励和响应捕获。然后，USS 使用各种数字信号处理算法来处理捕获的波形。 MSP430FR6047 MCU 中使用的波形捕获技术和处理方法可实现一流的分辨率(5ps)。 —— 是住宅和工业应用中液体和气体流量检测的突破性系统设计。目前，大多数超声波流量计都是电池供电的。而基于MSP430FR6047 MCU的超声波流量计解决方案平均功耗仅为3A，使用寿命超过10年。此外，您可以轻松地将这种情况扩展到热量计。用于流量测量的超声波传感集成了以下优点：更小的尺寸、更低的成本、提高的精度和稳定性、延长的产品寿命、连接智能电网等。