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如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2022-12-21 來(lái)源:作者:Jeff Shepard 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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(hù)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(méi)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)


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(kāi)始時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“開(kāi)始”信號(hào),標(biāo)志著 ToF 測(cè)量的開(kāi)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(kāi)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(méi)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(mǎn)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(chēng)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(jiàn) 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。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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)。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(kāi)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。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(wèn)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(lèi)似應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可靠通信和高能效。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(chēng)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。


如何在智能水表中應(yīng)用超聲波感測(cè)技術(shù)

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(chēng)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(hù)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(méi)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。


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