如何在智慧水表中使用超音波感測

擴大推動智慧水表、改善計量效能是有效管理水資源的基本要件。「計量」有助於辨識、找出配水系統中的漏水點，並可協助使用者在旱季或其他限水期間有效節約用水。超音波流量計技術逐漸在工業、商業、住宅環境中受到青睞。與傳統機械式水表相比，這些水表具備多項優勢：沒有活動零件，可減少維護需求並提高可靠性；功率低，電池可以使用多年；提供高準確度，而且可以設計為支援雙向量測。

本文介紹超音波流量感測器在智慧水表中的運作及整合方式，並簡短說明住宅水表的準確度國際標準。接著，我們會列舉適用於這些水表的元件，包括 Audiowell 的超音波感測器組件，Texas Instruments 的類比前端 (AFE)、時間數位轉換器 (TDC) IC、微控制器單元 (MCU) 和評估板，還有「支援」元件，包括 Silicon Labs 附帶安全啟動功能的 RF 收發器，以及 Tadiran 的長壽命一次電池。最後，本文將提供一些可提高超音波流量計準確度的建議。

典型的時間差超音波流量計包含兩個壓電傳感器，會產生兩道超音波脈衝，以相反的方向藉由流動的水傳遞。上下行脈衝之間的飛行時間 (ToF，又稱行進時間) 差異可測量水的流速。其他功能塊包括 (圖 1)：

• 各個壓電傳感器的聲鏡
• 傳播 ToF IC，通常由兩個 IC 組成：一個連接傳感器的類比前端、一個用於測量 ToF 的獨立皮秒級精準碼錶
• 可計算流量並連接到通訊 IC 及選配顯示器的微控制器
• 長壽命電池或其他電源 (未顯示)

圖 1：兩道超音波脈衝以相反方向傳遞。下行 (藍色) 和上行 (紅色) 脈衝之間的飛行時間 (行進時間) 差異可測量水的流速。(圖片來源：Audiowell)

在每個超音波脈衝開始時，都會產生「開始」訊號，標示 ToF 量測的開端。當脈衝抵達接收器時，會產生「停止」訊號，即可利用碼錶功能來依據「開始」、「停止」之間的間隔判斷 ToF。沒有水流動時，時間差量測值便會完全相同。在正常流動條件下，上行波浪的傳播速度會比下行波浪慢。如果水流方向相反，則兩端感測器測得的波浪傳播速度也會反過來。

住宅水表準確度標準

住宅應用的流量計設計必須滿足各種標準。例如，水表最大允許誤差 (MPE) 的計量要求，是由國際法定度量衡組織 (OIML) 透過一連串稱為 Q1、Q2、Q3、Q4 的值而定義 (表 1)。

表 1：住宅水表 MPE 的 OIML 標準劃分為四種流量區域。(表格來源：Texas Instruments)

Q3 的數值表示以每小時立方公尺 (m³/h) 為單位的水表，以及 Q3/Q1 的比率。Q3 的值和 Q3/Q1 的比率可在 OIML 標準附帶的清單中找到。根據 MPE，水表可分為 Class 1 或 Class 2：

• Class 1 水表
  • 較低流量區域 (Q1 和 Q2 之間) 的 MPE 為 ±3%，不受溫度影響。
  • 較高流量區域 (Q2 和 Q4 之間) 的 MPE 在 0.1 至 +30°C 的溫度範圍內為 ±1%，在高於 +30°C 的溫度範圍內為 ±2%。
• Class 2 水表
  • 較低流量區域的 MPE 為 ±5%，不受溫度影響。
  • 較高流量區域的 MPE 在 0.1 至 +30°C 的溫度範圍內為 ±2%，在高於 +30°C 的溫度範圍內為 ±3%。

超音波冷水流量管

Audiowell 的 HS0014-000 超音波流量感測器包含一對超音波流量傳感器和對應的反射器，置於 DN15 聚合物管道中，設計人員可以將其用於 ToF 智慧水表 (圖 2)。其具有低壓損、高可靠性和 ±2.5% 的準確度。額定工作溫度範圍為 0.1 至 +50°C，在 1 MHz 時的最大輸入電壓為 5 V 峰峰值，設計用於 OIML 標準定義的 Class 2 住宅應用。

圖 2：HS0014-000 超音波流量感測器在聚合物管中包含一對超音波流量傳感器。(圖片來源：Audiowell)

Texas Instruments (TI) 提供三款 IC，設計人員可在超音波 ToF 水表中，將其與 HS0014-000 搭配使用。TDC1000 是用於超音波感測量測的完全整合式 AFE。此為可編程產品，能針對多個發射脈衝、頻率、訊號閾值、增益進行設定，適用於工作頻率為 31.25 kHz 至 4 MHz 且具有不同品質 (Q) 因數的傳感器。TDC1000 具有低功率工作模式，適用於電池供電式智慧型超音波 ToF 流量計設計。

圖 3：TDC1000 是完全整合式 AFE，可在 ToF 智慧水表設計中與 HS0014-000 搭配。(圖片來源：Texas Instruments)

TI 的第二個 IC 是 TDC7200，這是一款 TDC 兼皮秒級精準碼錶 (圖 4)。此元件具有內部自行校準時間基準，可實現皮秒級轉換準確度，並支援低流量、無流量條件下的精準量測。此外，自主式多週期平均模式可允許主機 MCU 進入睡眠模式以節省電力，當 TDC7200 完成量測序列時，才會喚醒 MCU。

圖 4：TDC7200 TDC 兼皮秒級精準碼錶旨在與 TDC1000 AFE 搭配使用。(圖片來源：Texas Instruments)

TI 亦提供 MSP430FR6047，這是一款超低功率 MCU，配有整合式超音波感測類比前端，可實現精確量測。此元件包含用於訊號處理的低能耗加速器，讓設計人員能夠最佳化功耗、延長電池續航力。MSP430FR600x MCU 還整合了多種對智慧計量設計而言非常實用的周邊裝置，包括：

• LCD 驅動器
• 即時時脈 (RTC)
• 12 位元連續漸近暫存器 (SAR) 類比數位轉換器 (ADC)
• 類比比較器
• AES256 加密加速器
• 循環冗餘檢查 (CRC) 模組

超音波水表評估板

為加速開發過程、讓產品更快上市，設計人員可以使用 EVM430-FR6047，評估 MSP430FR6047 MCU 在智慧水表中的超音波感測效能 (圖 5)。此 EVM 支援從 50 kHz 至 2.5 MHz 不等的各種傳感器，並隨附可顯示量測值的板載 LCD 和可整合 RF 通訊模組的連接器。

圖 5：EVM430-FR6047 可評估 MSP430FR6047 在水表中的超音波 ToF 感測效能。(圖片來源：Texas Instruments)

支援元件

Silicon Laboratories 的 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 無線 SoC 是一款單晶片解決方案，結合了 38.4 MHz Cortex-M33、高效能 2.4 GHz 無線電及整合式安全功能，可提供快速加密、安全啟動載入、偵錯存取控制 (圖 6)。此元件具有高達 6 dBm 的最大功率輸出、-102.1 (250 kbit/s OQPSK) dBm 的接收靈敏度。EFR32FG22C121F512GM32 結合了超低發射和接收功率 (+6 dBm 時 8.2 mA 發射、3.6 mA 接收)、1.2 µA 深度睡眠模式功率，提供穩健的無線射頻 (RF) 鏈路以實現可靠的通訊，並為智慧儀表及類似應用提供高能效。

圖 6：EFR32FG22 Series 2 無線 SoC 內含 38.4 MHz ARM Cortex-M33 核心，具有快速加密和安全啟動載入功能。(圖片來源：DigiKey)

Tadiran 附帶焊接片的 TL-5920/T (圖 7)、附帶標準連接的 TL-5920/S 等線軸型鋰亞硫醯氯 (LiSOCl2) 電池特別適用於智慧水表、瓦斯表、電表。當以 3 mA 的速率放電至 2 V 的端電壓 (V) 時，這些一次電池的標稱容量為 8.5 Ah，額定電壓為 3.6 V，最大連續電流額定值為 230 mA，最大脈衝電流額定值為 400 mA，工作溫度範圍為 -55 至 +85 °C。這些電池可以使用 20 到 30 年 (與儀表一樣長)，而無需更換昂貴的電池。

圖 7：像 TL-5920/T 這樣的 LiSOCl2 電池可以使用長達 30 年，非常適合智慧儀表應用。(圖片來源：DigiKey)

提高準確度

補償、校準、阻抗匹配技術可用來提高超音波 ToF 水表的準確度：

• 超音波 ToF 水表的量測準確度會受限於音速恆定程度、訊號處理電子元件的準確度。音速會隨密度和溫度而變化。因應音速的變化與訊號處理電路的任何差異，應該施加補償來進行校準及調整。

• 超音波 ToF 儀表通常於原廠進行乾式校準。校準參數可以包括：由傳感器、電子元件、纜線引起的時間延遲、每個聲學路徑所需的任何 ΔToF 偏移校正，以及與設計相關的幾何參數。原廠校準可以提高低流量、無流量時的準確度，且不應影響高流量時的準確度。

• 需要一對極為對稱的發射和接收訊號路徑，才能在靜態流量條件下降低或消除 ΔToF 偏移。阻抗匹配解決方案可用來控制每條路徑的阻抗值。這能簡化 ΔToF 校準工作，即使傳感器並未完美匹配，也能在工作壓力範圍、工作溫度範圍內獲得非常小的零流量誤差漂移。

結論

超音波 ToF 智慧水表在住宅、工業、商業應用中的市占率越來越高，可協助辨識、找出配水系統中的漏水點，並為使用者提供必要資訊來有效節約用水。壓電傳感器可產生兩道超音波脈衝，並以相反的方向藉由流動的水傳遞。上下行脈衝之間的 ToF 差異可測量水的流速，也支援雙向水流量測。這些儀表沒有活動零件，因此非常可靠且節能。OIML 制定了水表 MPE 分級的國際標準。您可運用補償技術、校準、阻抗匹配來提高這些儀表的準確度。