TI首席技术官Ahmad Bahai分享——新的计量技术让每一滴水都发挥价值

作者：德州仪器首席技术官 Ahmad Bahai

一组惊人的统计数字显示，仅在美国，家庭泄漏每年浪费的水约9000亿加仑，这些被浪费的水每年可为大约1100万个家庭提供足够的生活用水。而欧洲和亚洲的其他国家也面临类似问题。预计水资源短缺将使这一问题变得更加复杂。

但是现在事情出现了转机，我们能提供解决方案。超声波技术使安装在智能楼宇和智能城市中的水表能够检测和定位泄漏，即使是每隔几秒漏一滴水的泄漏也可以监测到。奥斯汀、安特卫普等城市正在安装高科技智能水表，为客户提供信息来发现泄漏和节约用水，同时也帮助发现公共设备管道老化和水管破损的基础设施泄漏问题。

“今日可用的水资源是我们今后唯一拥有的水资源，” 达拉斯水务公用事业公司水资源保护经理Holly Holt-Torres说道。 “我们必须保护它。科技将使我们能够在越来越高的水平上实现这一目标。”

这种超声波技术的应用范围不仅仅局限在水表应用上。这种技术还可用于测量天然气流量，乃至可以检测流经管道的气体混合物组份。它甚至可以帮助医疗人员调节手术设备中的氧气输送浓度。

随流量运动

当然，超声波并非新鲜事物。例如，蝙蝠使用超声波测距来避开障碍物并在夜间捕捉昆虫。此外，在更具高科技的应用中，超声波被用于材料识别、汽车防撞以及工业和医疗成像。

现在它被用于水表和其他流量计之中。传统上讲，流量表是由具有转动主轴或齿轮使用磁性元件来产生脉冲的机电系统组成的。但是，如同恒温器、电机和许多其他日常设备一样，流量计中的电子系统正在迅速取代机电系统。

“今日可用的水资源是我们今后唯一拥有的水资源。

我们必须保护它。科技将使我们能够在越来越高的水平上实现这一目标。”

——达拉斯市水公用事业

水资源保护经理Holly Holt-Torres

在这些系统中，使用一对沉浸式超声波传感器来测量流体中声波的速度。声波传播的速度是流经管道的流体粘度、流速和方向的函数。超声波穿过的介质的刚度决定其传播速度。

测量的精确性取决于传感器的质量、精密模拟电路设计和信号处理算法。超声波传感器是，能将电信号转换成数百千赫兹的相对高频率的机械振动的压电材料。通常，1-2 MHz范围内的一对超声波传感器必须被匹配和校准，以便精确测量流量。它们占据了一大部分的总成本。传感器系统必须以极低功率运行，以确保电池15-20年的使用寿命。

德州仪器先进的流量计量芯片MSP430FR6043，包含独特的模拟前端和算法，可以显著提高精度，同时降低总体成本和功耗。 我们的流量计量架构利用高性能模拟设计、先进算法和嵌入式处理来减少对昂贵的超声波传感器的需求。模拟前端和信号处理算法可补偿传感器不匹配的问题。

珍惜每一滴水

   典型的超声波流量计通过发射超声波并测量接收器处的时间差来估计流速。时间差测量通常由TDC电路监测接收波形过零点的时间来计算得到的。这种典型测量方式的困难在于它不够灵敏，无法高精度检测流量。

我们的架构采用智能模拟前端，具有高性能模数转换器，可提高信噪比，并使校准更精确。这种方法具有以下五个好处：

1. 它可以通过减少干扰并提高信噪比以实现更高精度。

2. 该架构可测量很宽动态范围的流量，大到消防水管的常用流量， 小到微小泄漏的流量。

3. 通过使用更低的电压驱动器，可显著节省功耗和成本。每秒一次测量的平均功耗小于3微安。这意味着电池使用寿命可以超过15年。

4. 它可以检测湍流、气泡和其他流动异常。这对于流量分析和维护管道非常重要。

5. 该技术可克服在较高流速的水和气体中有可能产生的流量双向振幅变化带来的影响。

许多其他的TI技术对于高性能流量计同样至关重要。具有集成超声波模拟前端的低功耗微控制器、高性能时钟参考、低静态电流功率管理以及发射驱动器和接收放大器路径的超精确阻抗匹配，这些都是流量计中差异化技术的示例。

这些技术共同有助于保护我们最宝贵的资源之一。