如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) IC、微控制器單元和評(píng)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(zhǎng)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(jì)精度的建議。

擴(kuò)大和改進(jìn)智能水計(jì)量是有效水管理的一個(gè)基本要素。計(jì)量有助于識(shí)別和定位供水系統(tǒng)中的漏水點(diǎn)，并能幫助用戶在干旱或其他供水限制期間改善節(jié)水。在工業(yè)、商業(yè)和住宅環(huán)境中，超聲波流量計(jì)技術(shù)得到越來(lái)越多的采用。與傳統(tǒng)的機(jī)械水表相比，這些水表有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：沒有活動(dòng)部件，因此最大程度地減少了維護(hù)并提升了可靠性；功耗低，一塊電池可以維持運(yùn)行多年；精度高；以及可設(shè)計(jì)為支持雙向測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) IC、微控制器單元和評(píng)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(zhǎng)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(jì)精度的建議。

典型的時(shí)差式超聲波流量計(jì)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(cè)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(cè)量 ToF 的單獨(dú)的皮秒級(jí)精度秒表

· 一個(gè)微控制器，用于計(jì)算流量并與通信 IC 和可選的顯示屏連接

· 一塊長(zhǎng)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(lán)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(cè)量水的流速。（圖片來(lái)源：Audiowell）

在每束超聲波脈沖開始時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“開始”信號(hào)，標(biāo)志著 ToF 測(cè)量的開始。當(dāng)脈沖到達(dá)接收器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“停止”信號(hào)，“開始”與“停止”之間的時(shí)間間隔用于根據(jù)秒表功能確定 ToF。當(dāng)沒有水流時(shí)，渡越時(shí)間的測(cè)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(duì)于傳感器反轉(zhuǎn)。

住宅水表精度的標(biāo)準(zhǔn)

適用于住宅應(yīng)用的流量計(jì)必須滿足各種標(biāo)準(zhǔn)。例如，國(guó)際法制計(jì)量組織 (OIML) 對(duì)水表最大容許誤差 (MPE) 規(guī)定了計(jì)量要求，并采用一系列稱為 Q1、Q2、Q3 和 Q4 的值來(lái)定義（表 1）。

流速區(qū)        說(shuō)明

Q1           水表可在最大容許誤差范圍內(nèi)運(yùn)行的最低流速。

Q2           常設(shè)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(qū)：高流速區(qū)和低流速區(qū)。

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(nèi)運(yùn)行。

Q4           水表在短時(shí)間內(nèi)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(jì)量特性的最高流速。

表 1：OIML 住宅水表 MPE 標(biāo)準(zhǔn)基于一系列四個(gè)流速區(qū)。（表格來(lái)源：Texas Instruments）

Q3 的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)所包含的列表。根據(jù) MPE，水表定義為 1 級(jí)或 2 級(jí)。

1 級(jí)水表

   ·無(wú)論溫度如何，低流速區(qū)（Q1 和 Q2 之間）的 MPE 為 ±3%。

   ·高流速區(qū)（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(jí)水表

   ·無(wú)論溫度如何，低流速區(qū)的 MPE 為 ±5%。

   ·高流速區(qū)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(duì)裝在 DN15 聚合物管中的超聲波流量換能器和對(duì)應(yīng)的反射器組成，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)用于 OIML 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 2 級(jí)住宅應(yīng)用。

圖 2：HS0014-000 超聲波流量傳感器包括一對(duì)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(shè)計(jì)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(cè)的完全集成式 AFE。該器件可進(jìn)行編程并可針對(duì)多個(gè)發(fā)射脈沖、頻率、信號(hào)閾值和增益進(jìn)行設(shè)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(shù)。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(jì)設(shè)計(jì)。

圖 3：TDC1000 是一款完全集成式 AFE，可在 ToF 智能水表設(shè)計(jì)中與 HS0014-000 配對(duì)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(jí)精度的秒表（圖 4）。該器件內(nèi)部有一個(gè)自校準(zhǔn)時(shí)基，能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒級(jí)的轉(zhuǎn)換精度，支持低流量和無(wú)流量條件下的精確測(cè)量。此外，自主多周期平均模式可用于讓主機(jī) MCU 進(jìn)入睡眠模式以節(jié)省電力，MCU 只有在 TDC7200 完成測(cè)量序列后才會(huì)被喚醒。

圖 4：TDC7200 TDC 和皮秒級(jí)精度的秒表設(shè)計(jì)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(xiàn)精確和準(zhǔn)確測(cè)量。該器件包括一個(gè)用于信號(hào)處理的低能耗加速器，讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化功耗以延長(zhǎng)電池壽命。MSP430FR600x MCU 還集成了幾個(gè)對(duì)智能計(jì)量設(shè)計(jì)有用的外設(shè)，包括：

· LCD 驅(qū)動(dòng)器

· 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)

· 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)

· 模擬比較器

· AES256 加密加速器

· 循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 模塊

超聲波測(cè)量計(jì) EVB

為了加快開發(fā)進(jìn)程并縮短上市時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以使用 EVM430-FR6047 來(lái)評(píng)估 MSP430FR6047 MCU 在智能水表中的超聲波感測(cè)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(cè)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(píng)估 MSP430FR6047 在水表中的超聲波 ToF 感測(cè)性能。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

支持組件

Silicon Laboratories 的 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 無(wú)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(wú)線電和集成的安全功能相結(jié)合，可提供快速加密、安全啟動(dòng)加載和調(diào)試訪問控制（圖 6）。該器件的最大功率輸出高達(dá) 6 dBm，接收靈敏度為 -102.1 (250 Kbps OQPSK) dBm。EFR32FG22C121F512GM32 結(jié)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(qiáng)大的射頻 (RF) 鏈路，以在智能水表和類似應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可靠通信和高能效。

圖 6：EFR32FG22 Series 2 無(wú)線 SoC 包括一個(gè) 38.4 MHz ARM Cortex-M33 內(nèi)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 的線軸型亞硫酰氯鋰 (LiSOCl2) 電池如帶焊片的 TL-5920/T（圖 7）和帶標(biāo)準(zhǔn)連接的 TL-5920/S，特別適合用于水、燃?xì)夂碗娏χ悄軆x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(biāo)稱容量為 8.5 Ah，額定電壓為 3.6 V，額定最大連續(xù)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(xù)航時(shí)間可達(dá) 20 到 30 年，這與儀表壽命一樣長(zhǎng)，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(xù)航 30 年，非常適合智能水表應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Digi-Key）

提高精度

補(bǔ)償、校準(zhǔn)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(cè)量精度受限于聲速的恒定程度，以及信號(hào)處理電子器件的精度。聲速會(huì)隨著密度和溫度的變化而變化。為了針對(duì)聲速變化和信號(hào)處理電路中的任何變化進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，應(yīng)增加補(bǔ)償。

· 超聲波 ToF 水表通常在工廠進(jìn)行干式校準(zhǔn)。校準(zhǔn)參數(shù)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(shè)計(jì)相關(guān)的幾何參數(shù)。工廠校準(zhǔn)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(yīng)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(duì)高度對(duì)稱的發(fā)射和接收信號(hào)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(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)工作壓力和溫度范圍內(nèi)零流量下非常小的誤差漂移，即使換能器不是完全匹配。

結(jié)語(yǔ)

在住宅、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)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(shí)別和定位供水系統(tǒng)中的漏水點(diǎn)，并為用戶提供改善節(jié)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(cè)量水的流速，并可支持雙向流量測(cè)量。這些儀表沒有活動(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(jí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)償技術(shù)、校準(zhǔn)和阻抗匹配可用于提高這些水表的精度。