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如何在智能水表中应用超声波感测技术

关键词:智能水表 超声波感测技术

时间:2022-12-21 16:02:25      来源:Digi-Key

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。

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。

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