作者:  德州儀器首席技術官 Ahmad Bahai

　　一組驚人的統計數字顯示，僅在美國，家庭泄漏每年浪費的水約9000億加侖，這些被浪費的水每年可為大約1100萬個家庭提供足夠的生活用水。而歐洲和亞洲的其他國家也面臨類似問題。預計水資源短缺將使這一問題變得更加復雜。

　　但是現在事情出現了轉機，我們能提供解決方案。超聲波技術使安裝在智能樓宇和智能城市中的水表能夠檢測和定位泄漏，即使是每隔幾秒漏一滴水的泄漏也可以監測到。奧斯汀、安特衛普等城市正在安裝高科技智能水表，為客戶提供信息來發現泄漏和節約用水，同時也幫助發現公共設備管道老化和水管破損的基礎設施泄漏問題。

　　“今日可用的水資源是我們今后唯一擁有的水資源，” 達拉斯水務公用事業公司水資源保護經理Holly Holt-Torres說道。 “我們必須保護它。科技將使我們能夠在越來越高的水平上實現這一目標。”

　　這種超聲波技術的應用范圍不僅僅局限在水表應用上。這種技術還可用于測量天然氣流量，乃至可以檢測流經管道的氣體混合物組份。它甚至可以幫助醫療人員調節手術設備中的氧氣輸送濃度。

　　隨流量運動

　　當然，超聲波并非新鮮事物。例如，蝙蝠使用超聲波測距來避開障礙物并在夜間捕捉昆蟲。此外，在更具高科技的應用中，超聲波被用于材料識別、汽車防撞以及工業和醫療成像。

　　現在它被用于水表和其他流量計之中。傳統上講，流量表是由具有轉動主軸或齒輪使用磁性元件來產生脈沖的機電系統組成的。但是，如同恒溫器、電機和許多其他日常設備一樣，流量計中的電子系統正在迅速取代機電系統。

　　“今日可用的水資源是我們今后唯一擁有的水資源。

　　我們必須保護它。科技將使我們能夠在越來越高的水平上

　　實現這一目標。”

　　--達拉斯市水公用事業

　　水資源保護經理Holly Holt-Torres

　　在這些系統中，使用一對沉浸式超聲波傳感器來測量流體中聲波的速度。聲波傳播的速度是流經管道的流體粘度、流速和方向的函數。超聲波穿過的介質的剛度決定其傳播速度。

　　測量的精確性取決于傳感器的質量、精密模擬電路設計和信號處理算法。超聲波傳感器是，能將電信號轉換成數百千赫茲的相對高頻率的機械振動的壓電材料。通常，1-2 MHz范圍內的一對超聲波傳感器必須被匹配和校準，以便精確測量流量。它們占據了一大部分的總成本。傳感器系統必須以極低功率運行，以確保電池15-20年的使用壽命。

　　德州儀器先進的流量計量芯片MSP430FR6043 <http://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430FR6043>，包含獨特的模擬前端和算法，可以顯著提高精度，同時降低總體成本和功耗。 我們的流量計量架構利用高性能模擬設計、先進算法和嵌入式處理來減少對昂貴的超聲波傳感器的需求。模擬前端和信號處理算法可補償傳感器不匹配的問題。

　　珍惜每一滴水

　　典型的超聲波流量計通過發射超聲波并測量接收器處的時間差來估計流速。時間差測量通常由TDC電路監測接收波形過零點的時間來計算得到的。這種典型測量方式的困難在于它不夠靈敏，無法高精度檢測流量。

　　我們的架構采用智能模擬前端，具有高性能模數轉換器，可提高信噪比，并使校準更精確。這種方法具有以下五個好處：

　　1. 它可以通過減少干擾并提高信噪比以實現更高精度。

　　2. 該架構可測量很寬動態范圍的流量，大到消防水管的常用流量, 小到微小泄漏的流量。

　　3. 通過使用更低的電壓驅動器，可顯著節省功耗和成本。每秒一次測量的平均功耗小于3微安。這意味著電池使用壽命可以超過15年。

　　4. 它可以檢測湍流、氣泡和其他流動異常。這對于流量分析和維護管道非常重要。

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

　　許多其他的TI技術對于高性能流量計同樣至關重要。具有集成超聲波模擬前端的低功耗微控制器、高性能時鐘參考、低靜態電流功率管理以及發射驅動器和接收放大器路徑的超精確阻抗匹配，這些都是流量計中差異化技術的示例。

　　這些技術共同有助于保護我們最寶貴的資源之一。

　　了解有關超低功耗流量計量設備超聲波傳感解決方案庫的更多信息 <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>。

　　閱讀我們的企業公民報告 <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約水資源和其他資源。

　　1 環境保護署 <https://www.epa.gov/watersense/statistics-and-facts>

　　2地球的未來： <https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018EF001091>應對人口增長和氣候變化引起的美國未來水資源短缺問題。 <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>