如何在智能水表中应用超声波感测技术

作者：Jeff Shepard

扩大和改进智能水计量是有效水管理的一个基本要素。计量有助于识别和定位供水系统中的漏水点，并能帮助用户在干旱或其他供水限制期间改善节水。在工业、商业和住宅环境中，超声波流量计技术得到越来越多的采用。与传统的机械水表相比，这些水表有几个优点：没有活动部件，因此最大程度地减少了维护并提升了可靠性；功耗低，一块电池可以维持运行多年；精度高；以及可设计为支持双向测量。

本文介绍了超声波流量传感器在智能水表中的操作和集成，并简要回顾了住宅水表精度的国际标准。然后举例说明了适用于这些水表的组件，包括 Audiowell 的超声波传感器组件，Texas Instruments 的模拟前端 (AFE)、时间数字转换器 (TDC) IC、微控制器单元和评估板，以及“支持”组件，包括 Silicon Labs 支持安全启动的射频收发器，以及 Tadiran 的长寿命一次电池。最后，本文提出了一些关于提高超声波流量计精度的建议。

典型的时差式超声波流量计包括两个压电换能器，用于产生两束超声波脉冲，以相反的方向在水流中传播。顺流与逆流脉冲之间的渡越时间（ToF，或传播时间）差用于测量水的流速。其他功能模块包括（图 1）：

· 每个压电换能器的声学反射镜
· 一个渡越 ToF IC，通常包含两个 IC，一个用于与换能器交互的模拟前端，一个用来测量 ToF 的单独的皮秒级精度秒表
· 一个微控制器，用于计算流量并与通信 IC 和可选的显示屏连接
· 一块长寿命电池或其他电源（未显示）

图 1：两束超声波脉冲向相反方向发送。顺流（蓝色）与逆流（红色）脉冲之间的渡越时间（传播时间）差用于测量水的流速。（图片来源：Audiowell）

在每束超声波脉冲开始时，会产生一个“开始”信号，标志着 ToF 测量的开始。当脉冲到达接收器时，会产生一个“停止”信号，“开始”与“停止”之间的时间间隔用于根据秒表功能确定 ToF。当没有水流时，渡越时间的测量完全相同。在正常流动条件下，逆流波会比顺流波传播得更慢。如果水反向流动，则波传播速度将相对于传感器反转。

住宅水表精度的标准

适用于住宅应用的流量计必须满足各种标准。例如，国际法制计量组织 (OIML) 对水表最大容许误差 (MPE) 规定了计量要求，并采用一系列称为 Q1、Q2、Q3 和 Q4 的值来定义（表 1）。

流速区        说明
Q1           水表可在最大容许误差范围内运行的最低流速。
Q2           常设流速和最低流速之间的流速，将流速范围划分为各自具有特定最大容许误差的两个区：高流速区和低流速区。
Q3           额定工作条件下的最高流速，在此流速下，水表可在最大容许误差范围内运行。
Q4           水表在短时间内能符合最大容许误差要求，随后在额定工作条件下仍能保持计量特性的最高流速。

表 1：OIML 住宅水表 MPE 标准基于一系列四个流速区。（表格来源：Texas Instruments）

Q3 的数值以单位 m3/h 和比值 Q3/Q1 指定一款水表。Q3 的值和 Q3/Q1 的比值可参见 OIML 标准所包含的列表。根据 MPE，水表定义为 1 级或 2 级。

1 级水表
   ·无论温度如何，低流速区（Q1 和 Q2 之间）的 MPE 为 ±3%。
   ·高流速区（Q2 和 Q4 之间）的 MPE 在温度 0.1 至 +30°C 时为 ±1%，温度高于 +30°C 时为 ±2%。

2 级水表
   ·无论温度如何，低流速区的 MPE 为 ±5%。
   ·高流速区的 MPE 在温度 0.1 至 +30°C 时为 ±2%，温度高于 +30°C 时为 ±3%。

超声波冷水流量管

Audiowell 的 HS0014-000 超声波流量传感器由一对装在 DN15 聚合物管中的超声波流量换能器和对应的反射器组成，设计人员可以将其用于 ToF 智能水表（图 2）。其特点是压力损失小，可靠性高，精度为 ±2.5%。该传感器的额定工作温度范围为 0.1 至 +50°C，在 1 MHz 下的最大输入为 5 V 峰峰值，设计用于 OIML 标准中规定的 2 级住宅应用。

图 2：HS0014-000 超声波流量传感器包括一对装在聚合物管中的超声波流量换能器。（图片来源：Audiowell）

Texas Instruments (TI) 提供了三款 IC 产品，以供设计人员能够在超声波 ToF 水表中配合 HS0014-000 使用。TDC1000 是一款适用于超声感测的完全集成式 AFE。该器件可进行编程并可针对多个发射脉冲、频率、信号阈值和增益进行设置，适用于工作频率从 31.25 kHz 到 4 MHz 的换能器，并具有不同的品质 (Q) 因数。TDC1000 采用低功耗工作模式，适用于电池供电的智能超声波 ToF 流量计设计。

图 3：TDC1000 是一款完全集成式 AFE，可在 ToF 智能水表设计中与 HS0014-000 配对使用。（图片来源：Texas Instruments）

TI 的第二款 IC 是 TDC7200，即一个 TDC 和皮秒级精度的秒表（图 4）。该器件内部有一个自校准时基，能够实现皮秒级的转换精度，支持低流量和无流量条件下的精确测量。此外，自主多周期平均模式可用于让主机 MCU 进入睡眠模式以节省电力，MCU 只有在 TDC7200 完成测量序列后才会被唤醒。

图 4：TDC7200 TDC 和皮秒级精度的秒表设计用于配合 TDC1000 AFE 使用。（图片来源：Texas Instruments）

TI 还提供了 MSP430FR6047，这是一款超低功耗的 MCU，集成了超声波传感模拟前端，可实现精确和准确测量。该器件包括一个用于信号处理的低能耗加速器，让设计人员能够优化功耗以延长电池寿命。MSP430FR600x MCU 还集成了几个对智能计量设计有用的外设，包括：

· LCD 驱动器
· 实时时钟 (RTC)
· 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC)
· 模拟比较器
· AES256 加密加速器
· 循环冗余校验 (CRC) 模块

超声波测量计 EVB

为了加快开发进程并缩短上市时间，设计人员可以使用 EVM430-FR6047 来评估 MSP430FR6047 MCU 在智能水表中的超声波感测性能（图 5）。该 EVM 支持从 50 kHz 到 2.5 MHz 的各种换能器，包括一个用于显示测量值的板载 LCD 以及用于集成射频通信模块的连接器。

图 5：EVM430-FR6047 可用于评估 MSP430FR6047 在水表中的超声波 ToF 感测性能。（图片来源：Texas Instruments）

支持组件

Silicon Laboratories 的 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 无线 SoC 是一种单芯片解决方案，将 38.4 MHz Cortex-M33 与高性能 2.4 GHz 无线电和集成的安全功能相结合，可提供快速加密、安全启动加载和调试访问控制（图 6）。该器件的最大功率输出高达 6 dBm，接收灵敏度为 -102.1 (250 Kbps OQPSK) dBm。EFR32FG22C121F512GM32 结合了超低的发射和接收功率（发射为 +6 dBm 时 8.2 mA，接收为 3.6 mA）与 1.2 μA 的深度睡眠模式功率，并提供了强大的射频 (RF) 链路，以在智能水表和类似应用中实现可靠通信和高能效。

图 6：EFR32FG22 Series 2 无线 SoC 包括一个 38.4 MHz ARM Cortex-M33 内核，具有快速加密和安全启动加载功能。（图片来源：Digi-Key）

Tadiran 的线轴型亚硫酰氯锂 (LiSOCl2) 电池如带焊片的 TL-5920/T（图 7）和带标准连接的 TL-5920/S，特别适合用于水、燃气和电力智能仪表。这些一次电池在以 3 mA 的速率放电至 2 V 的端电压 (V) 时标称容量为 8.5 Ah，额定电压为 3.6 V，额定最大连续电流为 230 mA，额定最大脉冲电流为 400 mA，工作温度范围为 -55 至 +85°C。这些电池的续航时间可达 20 到 30 年，这与仪表寿命一样长，因此不需要昂贵的电池更换成本。

图 7：TL-5920/T 等 LiSOCl2 电池可续航 30 年，非常适合智能水表应用。（图片来源：Digi-Key）

提高精度

补偿、校准和阻抗匹配技术可用于提高超声波 ToF 水表的精度。

· 超声波 ToF 水表的测量精度受限于声速的恒定程度，以及信号处理电子器件的精度。声速会随着密度和温度的变化而变化。为了针对声速变化和信号处理电路中的任何变化进行校准和调整，应增加补偿。

· 超声波 ToF 水表通常在工厂进行干式校准。校准参数可能包括换能器、电子器件和电缆造成的时间延迟，每个声学路径所需的任何 ΔToF 偏移校正，以及设计相关的几何参数。工厂校准可提高低流量和无流量条件下的精度，并且在高流量条件下不应影响精度。

· 为了最小化或消除静态流条件下的 ΔToF 偏移，需要一对高度对称的发射和接收信号路径。阻抗匹配解决方案可用于控制每个路径的阻抗。这可简化 ΔToF 校准，并实现工作压力和温度范围内零流量下非常小的误差漂移，即使换能器不是完全匹配。

结语

在住宅、工业和商业应用中，超声波 ToF 智能水表的市场份额不断增加，它可帮助识别和定位供水系统中的漏水点，并为用户提供改善节水所需的信息。压电换能器可用于产生以相反方向在水流中传播的两束超声波脉冲。顺流和逆流脉冲之间的 ToF 差可用于测量水的流速，并可支持双向流量测量。这些仪表没有活动部件，因而具有较高的可靠性和能效。OIML 制定了水表 MPE 分级的国际标准。补偿技术、校准和阻抗匹配可用于提高这些水表的精度。