如何在智能水表中應用超聲波感測技術

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，并簡要回顧了住宅水表精度的國際標準。然后舉例說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 支持安全啟動的射頻收發器，以及 Tadiran 的長壽命一次電池。最后，本文提出了一些關于提高超聲波流量計精度的建議。

擴大和改進智能水計量是有效水管理的一個基本要素。計量有助于識別和定位供水系統中的漏水點，并能幫助用戶在干旱或其他供水限制期間改善節水。在工業、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，并簡要回顧了住宅水表精度的國際標準。然后舉例說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 支持安全啟動的射頻收發器，以及 Tadiran 的長壽命一次電池。最后，本文提出了一些關于提高超聲波流量計精度的建議。

典型的時差式超聲波流量計包括兩個壓電換能器，用于產生兩束超聲波脈沖，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間（ToF，或傳播時間）差用于測量水的流速。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，一個用于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送。順流（藍色）與逆流（紅色）脈沖之間的渡越時間（傳播時間）差用于測量水的流速。（圖片來源：Audiowell）

在每束超聲波脈沖開始時，會產生一個“開始”信號，標志著 ToF 測量的開始。當脈沖到達接收器時，會產生一個“停止”信號，“開始”與“停止”之間的時間間隔用于根據秒表功能確定 ToF。當沒有水流時，渡越時間的測量完全相同。在正常流動條件下，逆流波會比順流波傳播得更慢。如果水反向流動，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%，溫度高于 +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%，溫度高于 +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于 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 是一款適用于超聲感測的完全集成式 AFE。該器件可進行編程并可針對多個發射脈沖、頻率、信號閾值和增益進行設置，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 (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）。該器件內部有一個自校準時基，能夠實現皮秒級的轉換精度，支持低流量和無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 進入睡眠模式以節省電力，MCU 只有在 TDC7200 完成測量序列后才會被喚醒。

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，可實現精確和準確測量。該器件包括一個用于信號處理的低能耗加速器，讓設計人員能夠優化功耗以延長電池壽命。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

· 循環冗余校驗 (CRC) 模塊

超聲波測量計 EVB

為了加快開發進程并縮短上市時間，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，并提供了強大的射頻 (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。聲速會隨著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行校準和調整，應增加補償。

· 超聲波 ToF 水表通常在工廠進行干式校準。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，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于控制每個路徑的阻抗。這可簡化 ΔToF 校準，并實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

在住宅、工業和商業應用中，超聲波 ToF 智能水表的市場份額不斷增加，它可幫助識別和定位供水系統中的漏水點，并為用戶提供改善節水所需的信息。壓電換能器可用于產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。這些儀表沒有活動部件，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、校準和阻抗匹配可用于提高這些水表的精度。