作者:  德州儀器首席技術(shù)官 Ahmad Bahai

　　一組驚人的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，僅在美國(guó)，家庭泄漏每年浪費(fèi)的水約9000億加侖，這些被浪費(fèi)的水每年可為大約1100萬(wàn)個(gè)家庭提供足夠的生活用水。而歐洲和亞洲的其他國(guó)家也面臨類似問(wèn)題。預(yù)計(jì)水資源短缺將使這一問(wèn)題變得更加復(fù)雜。

　　但是現(xiàn)在事情出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，我們能提供解決方案。超聲波技術(shù)使安裝在智能樓宇和智能城市中的水表能夠檢測(cè)和定位泄漏，即使是每隔幾秒漏一滴水的泄漏也可以監(jiān)測(cè)到。奧斯汀、安特衛(wèi)普等城市正在安裝高科技智能水表，為客戶提供信息來(lái)發(fā)現(xiàn)泄漏和節(jié)約用水，同時(shí)也幫助發(fā)現(xiàn)公共設(shè)備管道老化和水管破損的基礎(chǔ)設(shè)施泄漏問(wèn)題。

　　“今日可用的水資源是我們今后唯一擁有的水資源，” 達(dá)拉斯水務(wù)公用事業(yè)公司水資源保護(hù)經(jīng)理Holly Holt-Torres說(shuō)道。 “我們必須保護(hù)它。科技將使我們能夠在越來(lái)越高的水平上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

　　這種超聲波技術(shù)的應(yīng)用范圍不僅僅局限在水表應(yīng)用上。這種技術(shù)還可用于測(cè)量天然氣流量，乃至可以檢測(cè)流經(jīng)管道的氣體混合物組份。它甚至可以幫助醫(yī)療人員調(diào)節(jié)手術(shù)設(shè)備中的氧氣輸送濃度。

　　隨流量運(yùn)動(dòng)

　　當(dāng)然，超聲波并非新鮮事物。例如，蝙蝠使用超聲波測(cè)距來(lái)避開障礙物并在夜間捕捉昆蟲。此外，在更具高科技的應(yīng)用中，超聲波被用于材料識(shí)別、汽車防撞以及工業(yè)和醫(yī)療成像。

　　現(xiàn)在它被用于水表和其他流量計(jì)之中。傳統(tǒng)上講，流量表是由具有轉(zhuǎn)動(dòng)主軸或齒輪使用磁性元件來(lái)產(chǎn)生脈沖的機(jī)電系統(tǒng)組成的。但是，如同恒溫器、電機(jī)和許多其他日常設(shè)備一樣，流量計(jì)中的電子系統(tǒng)正在迅速取代機(jī)電系統(tǒng)。

　　“今日可用的水資源是我們今后唯一擁有的水資源。

　　我們必須保護(hù)它。科技將使我們能夠在越來(lái)越高的水平上

　　實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

　　--達(dá)拉斯市水公用事業(yè)

　　水資源保護(hù)經(jīng)理Holly Holt-Torres

　　在這些系統(tǒng)中，使用一對(duì)沉浸式超聲波傳感器來(lái)測(cè)量流體中聲波的速度。聲波傳播的速度是流經(jīng)管道的流體粘度、流速和方向的函數(shù)。超聲波穿過(guò)的介質(zhì)的剛度決定其傳播速度。

　　測(cè)量的精確性取決于傳感器的質(zhì)量、精密模擬電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法。超聲波傳感器是，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)百千赫茲的相對(duì)高頻率的機(jī)械振動(dòng)的壓電材料。通常，1-2 MHz范圍內(nèi)的一對(duì)超聲波傳感器必須被匹配和校準(zhǔn)，以便精確測(cè)量流量。它們占據(jù)了一大部分的總成本。傳感器系統(tǒng)必須以極低功率運(yùn)行，以確保電池15-20年的使用壽命。

　　德州儀器先進(jìn)的流量計(jì)量芯片MSP430FR6043 <http://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430FR6043>，包含獨(dú)特的模擬前端和算法，可以顯著提高精度，同時(shí)降低總體成本和功耗。 我們的流量計(jì)量架構(gòu)利用高性能模擬設(shè)計(jì)、先進(jìn)算法和嵌入式處理來(lái)減少對(duì)昂貴的超聲波傳感器的需求。模擬前端和信號(hào)處理算法可補(bǔ)償傳感器不匹配的問(wèn)題。

　　珍惜每一滴水

　　典型的超聲波流量計(jì)通過(guò)發(fā)射超聲波并測(cè)量接收器處的時(shí)間差來(lái)估計(jì)流速。時(shí)間差測(cè)量通常由TDC電路監(jiān)測(cè)接收波形過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間來(lái)計(jì)算得到的。這種典型測(cè)量方式的困難在于它不夠靈敏，無(wú)法高精度檢測(cè)流量。

　　我們的架構(gòu)采用智能模擬前端，具有高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可提高信噪比，并使校準(zhǔn)更精確。這種方法具有以下五個(gè)好處：

　　1. 它可以通過(guò)減少干擾并提高信噪比以實(shí)現(xiàn)更高精度。

　　2. 該架構(gòu)可測(cè)量很寬動(dòng)態(tài)范圍的流量，大到消防水管的常用流量, 小到微小泄漏的流量。

　　3. 通過(guò)使用更低的電壓驅(qū)動(dòng)器，可顯著節(jié)省功耗和成本。每秒一次測(cè)量的平均功耗小于3微安。這意味著電池使用壽命可以超過(guò)15年。

　　4. 它可以檢測(cè)湍流、氣泡和其他流動(dòng)異常。這對(duì)于流量分析和維護(hù)管道非常重要。

　　5. 該技術(shù)可克服在較高流速的水和氣體中有可能產(chǎn)生的流量雙向振幅變化帶來(lái)的影響。

　　許多其他的TI技術(shù)對(duì)于高性能流量計(jì)同樣至關(guān)重要。具有集成超聲波模擬前端的低功耗微控制器、高性能時(shí)鐘參考、低靜態(tài)電流功率管理以及發(fā)射驅(qū)動(dòng)器和接收放大器路徑的超精確阻抗匹配，這些都是流量計(jì)中差異化技術(shù)的示例。

　　這些技術(shù)共同有助于保護(hù)我們最寶貴的資源之一。

　　了解有關(guān)超低功耗流量計(jì)量設(shè)備超聲波傳感解決方案庫(kù)的更多信息 <https://e2e.ti.com/blogs_/b/msp430blog/archive/2019/02/20/expanding-the-ultrasonic-sensing-solution-uss-library-to-support-our-new-line-of-ultra-low-power-ultrasonic-gas-and-water-flow-metering-devices>。

　　閱讀我們的企業(yè)公民報(bào)告 <http://www.ti.com/about-ti/citizenship-community/texas-instruments-citizenship-report.html>，了解德州儀器如何致力于節(jié)約水資源和其他資源。

　　1 環(huán)境保護(hù)署 <https://www.epa.gov/watersense/statistics-and-facts>

　　2地球的未來(lái)： <https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018EF001091>應(yīng)對(duì)人口增長(zhǎng)和氣候變化引起的美國(guó)未來(lái)水資源短缺問(wèn)題。 <https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018EF001091>

　　原文鏈接：<http://e2e.ti.com/blogs_/b/thinkinnovate/archive/2019/06/25/new-metering-technology-makes-every-drop-count>