超聲傳感技術(shù)利用超聲波的飛行時間（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間差，最終來測量和計算流量。此技術(shù)在測量寬流速變化范圍時非常出色，同時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間的差異來測量流速。超聲波在介質(zhì)流動方向上的傳播速度較快，而在逆流動方向時傳播速度較慢。無論換能器放置在管道內(nèi)還是夾在管道外，此項技術(shù)均可正常應(yīng)用。此測量方式要求在兩個換能器之間具有直接通路，這就需要仔細選擇安裝換能器的管道機械構(gòu)造。如果液體中有氣泡出現(xiàn)，此項技術(shù)就失去了作用，因為它會對超聲波信號造成重大衰減。

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。

超聲波流量計配置

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

插入式呈對角線安裝的換能器布局

插入式流量計可以呈對角線安裝，讓傳感器直接相對，如上圖所示?；蛘?，超聲波也可以通過管道表面反射從發(fā)射傳感器到達接收傳感器，如下圖所示。在大口徑流量計應(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

超聲波流量計面臨的一大主要挑戰(zhàn)是需要在每小時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，傳播時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%的流速計算誤差。為了提高精度，系統(tǒng)將需要安裝一個溫度傳感器。

不過，我們設(shè)計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間或 TOF和時間差來計算該介質(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間 TOF。一種方法是利用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）檢測信號的過零點。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)運算。

TDC技術(shù)判斷信號的是否超過閾值，然后計算該信號的過零點，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現(xiàn)這一運算?；ハ嚓P(guān)算法還可以降低3到4倍的由噪音引起的標準差。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?；诨ハ嚓P(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。當傳感器性能隨著時間推移而降低時，魯棒性將是一項重大優(yōu)勢，因為某些應(yīng)用流量計的使用壽命會超過 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，您可以利用包絡(luò)在長時間范圍內(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增益控制（AGC）。如果傳感器增益隨時間呈下降趨勢（重申，是因為老化而下降），它能夠增強接收到的信號。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)性能也不會隨著時間的推移而降低。

互相關(guān)算法計算dTOF框圖

絕對 TOF 測量

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

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

查看TI用于流量計量的超聲傳感技術(shù)

有助于實現(xiàn)高性能的超聲波流量計應(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，它獨立于 MSP430? MCU 的中央處理單元（CPU）運行。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，可以獨立于MSP430FR6047 MCU 上的其他模塊進行上電和斷電。您還可以在不影響器件上任何其他模塊的條件下對其進行重置。

超聲波傳感模塊中的阻抗匹配，對在隨時間和水溫變化的 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具有高精度和高準確性。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實現(xiàn)這一性能。