超聲傳感技術(shù)利用超聲波的飛行時(shí)間（TOF）與管段內(nèi)介質(zhì)流速相關(guān)，求得超聲波順流和逆流方向傳播的時(shí)間差，最終來測量和計(jì)算流量。此技術(shù)在測量寬流速變化范圍時(shí)非常出色，同時(shí)能夠處理水和油等液體及空氣與甲烷等氣體。

基于 TOF 的超聲波測量方式是根據(jù)上游和下游方向超聲信號傳播時(shí)間的差異來測量流速。超聲波在介質(zhì)流動(dòng)方向上的傳播速度較快，而在逆流動(dòng)方向時(shí)傳播速度較慢。無論換能器放置在管道內(nèi)還是夾在管道外，此項(xiàng)技術(shù)均可正常應(yīng)用。此測量方式要求在兩個(gè)換能器之間具有直接通路，這就需要仔細(xì)選擇安裝換能器的管道機(jī)械構(gòu)造。如果液體中有氣泡出現(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)就失去了作用，因?yàn)樗鼤Τ暡ㄐ盘栐斐芍卮笏p。

由于超聲波信號在單一介質(zhì)與在多種混合介質(zhì)中的傳播速度不同，因此基于 TOF 的超聲技術(shù)還可用于分析介質(zhì)成分。

超聲波流量計(jì)配置

基于 TOF 的超聲波流量計(jì)具有兩種構(gòu)造：插入式和外夾式。插入式流量計(jì)屬于侵入式，其中傳感器安裝在管道內(nèi)并與液體發(fā)生接觸；外夾式流量計(jì)屬于非侵入式，其傳感器安裝在管外表面上，可穿透管壁進(jìn)行聲波測量。

插入式呈對角線安裝的換能器布局

插入式流量計(jì)可以呈對角線安裝，讓傳感器直接相對，如上圖所示。或者，超聲波也可以通過管道表面反射從發(fā)射傳感器到達(dá)接收傳感器，如下圖所示。在大口徑流量計(jì)應(yīng)用中，通常采用兩對換能器，以提升性能，解決下下圖所示大口徑信號衰減較大的問題。

插入式相互反射的換能器布局

幾種插入式布局的換能器配置

下圖展示了一種外夾式傳感器的配置，由于超聲波需要穿透管道材料，因此會發(fā)生更大幅度的信號衰減。

外夾式傳感器部署

超聲波流量計(jì)面臨的一大主要挑戰(zhàn)是需要在每小時(shí)幾升到上萬升的大流速范圍內(nèi)保持精度。在一些應(yīng)用中，另一個(gè)挑戰(zhàn)是在 0°C 到 85°C 的溫度范圍內(nèi)保證流速精度。由于流體中超聲波的速度隨流體的溫度變化而變化，因此在流體溫度發(fā)生變化時(shí)，傳播時(shí)間的差異會給流速測量帶來誤差。一般來說，如果不考慮溫度，則會產(chǎn)生超過5%的流速計(jì)算誤差。為了提高精度，系統(tǒng)將需要安裝一個(gè)溫度傳感器。

不過，我們設(shè)計(jì)一種不需要測量溫度的檢測方法。這種方法需要使用上行和下行傳播的絕對時(shí)間或 TOF和時(shí)間差來計(jì)算該介質(zhì)的流速。

基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的處理優(yōu)勢

我們可以使用多種不同的方法來獲取上行和下行的飛行時(shí)間 TOF。一種方法是利用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）檢測信號的過零點(diǎn)。另一種方法是將模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）采樣到換能器接收的信號做相關(guān)運(yùn)算。

TDC技術(shù)判斷信號的是否超過閾值，然后計(jì)算該信號的過零點(diǎn)，如下圖所示。

基于過零的TDC技術(shù)

在基于相關(guān)性的 ADC 技術(shù)中，會采集并存儲上下行兩路換能器所接收信號的完整波形。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定 TOF 的差值。

基于 ADC 的方法與 TDC 方法相比，具有三大優(yōu)勢：

? 性能。互相關(guān)算法還提供抑制噪聲的低通濾波。采用 TI MSP430FR6047 MCU 中的低功耗加速器可高效實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算。互相關(guān)算法還可以降低3到4倍的由噪音引起的標(biāo)準(zhǔn)差。相關(guān)濾波器還可抑制線路噪聲等干擾。

? 信號幅值變化的魯棒性。基于互相關(guān)算法的技術(shù)對接收信號的幅值、換能器間的差異及溫度變化不敏感。在高流速下，會頻繁觀測到信號幅值的變化。當(dāng)傳感器性能隨著時(shí)間推移而降低時(shí)，魯棒性將是一項(xiàng)重大優(yōu)勢，因?yàn)槟承?yīng)用流量計(jì)的使用壽命會超過 10 年。

? 基于ADC的處理可獲取信號包絡(luò)。獲得信號幅值信息，有助于我們調(diào)整傳感器頻率。同時(shí)，您可以利用包絡(luò)在長時(shí)間范圍內(nèi)的緩慢變化來檢測傳感器的老化情況。基于 ADC 的方法也適用于自動(dòng)增益控制（AGC）。如果傳感器增益隨時(shí)間呈下降趨勢（重申，是因?yàn)槔匣陆担軌蛟鰪?qiáng)接收到的信號。由于基于相關(guān)性的算法可以在維持輸出信號電平的情況下使用放大后的接收信號，所以即使傳感器老化，系統(tǒng)性能也不會隨著時(shí)間的推移而降低。

互相關(guān)算法計(jì)算dTOF框圖

絕對 TOF 測量

測量絕對 TOF 時(shí)不需要使用溫度傳感器和計(jì)算水中的聲速。有多種方法可以準(zhǔn)確計(jì)算絕對 TOF。一種方法是計(jì)算接收信號的包絡(luò)然后以該包絡(luò)變化率的最大值處作為計(jì)量點(diǎn)。絕對 TOF 就是該包絡(luò)穿越閾值后的時(shí)間偏移，如下圖所示。

ADC采樣用于絕對TOF計(jì)算的波形和包絡(luò)，底部窗格給出了初始波形的放大版本

查看TI用于流量計(jì)量的超聲傳感技術(shù)

有助于實(shí)現(xiàn)高性能的超聲波流量計(jì)應(yīng)用功能模塊是模擬前端（AFE）的一部分，稱為超聲波傳感解決方案（USS）IP 模塊，它獨(dú)立于 MSP430? MCU 的中央處理單元（CPU）運(yùn)行。下圖顯示了原理框圖。超聲波傳感模塊包括通用 USS 電源（UUPS）、電源定序器（PSQ）、可編程脈沖發(fā)生器（PPG）、物理驅(qū)動(dòng)器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（PHY）、可編程增益放大器（PGA）、高速鎖相環(huán)（HSPLL）、sigma-delta 高速（SDHS）ADC 和采集定序器（ASQ）。

超聲波傳感模塊具有自己的電源軌，可以獨(dú)立于MSP430FR6047 MCU 上的其他模塊進(jìn)行上電和斷電。您還可以在不影響器件上任何其他模塊的條件下對其進(jìn)行重置。

超聲波傳感模塊中的阻抗匹配，對在隨時(shí)間和水溫變化的 deltaTOF 測量中獲得非常低的漂移具有至關(guān)重要的作用。這樣也可以檢測極低的流速。

TI最新基于 ADC 的超聲傳感技術(shù)能夠使智能水流量計(jì)具有高精度和高準(zhǔn)確性。通過在 MSP430FR6047 MCU 中集成超聲波傳感模塊和低功耗加速器，可以在保持低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這一性能。