隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，全球水資源日益緊張，我國(guó)政府曾在“十一五”規(guī)劃綱要明確提出：“要把節(jié)水放在突出位置，建立合理的水價(jià)形成機(jī)制，全面推行各種節(jié)水技術(shù)措施，發(fā)展節(jié)水型企業(yè)，建立節(jié)水社會(huì)。”由此預(yù)計(jì)，不遠(yuǎn)的將來(lái)社會(huì)對(duì)各類水表的需求量將出現(xiàn)大幅的提高。而能滿足階梯計(jì)價(jià)的智能式水表將會(huì)成為建設(shè)節(jié)水型社會(huì)一大利器。
一、NEC MR Sensor 在機(jī)電式水表中的應(yīng)用
1、機(jī)電式水表的工作原理
機(jī)電式水表，也叫智能水表。是通過(guò)在水表的讀盤(pán)指針或齒輪組的某個(gè)位置安裝傳感器元件，將原來(lái)的機(jī)械水表讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量一種水表。其工作流程如下圖：
2、MR sensor與其他傳感器的對(duì)比
目前，在機(jī)電式水表中，用途最廣的傳感器有：韋根、干簧管、霍爾和MR Sensor。由于機(jī)電式水表一般由電池供電，對(duì)傳感器的功耗有很高的要求。而不同的傳感器在功耗、壽命、響應(yīng)頻率以及磁阻尼的差別又會(huì)對(duì)水表的精度、準(zhǔn)確度以及壽命等性能產(chǎn)生影響。下面為不同傳感器之間的性能對(duì)比：
3、NEC 山梨MR Sensor的性能
NEC 山梨MR Sensor是一種利用磁電阻反應(yīng)原理，把強(qiáng)磁性金屬合金薄膜蒸鍍?cè)贗C電路上的磁開(kāi)關(guān)器件。其特點(diǎn)為：
- 高靈敏度，高精度——靈敏度的一致性最高可達(dá)6高斯以內(nèi)。
- 高可靠性——內(nèi)藏溫度保護(hù)電路，大幅提升了溫度特性的穩(wěn)定性。
- 響應(yīng)頻率高——可達(dá)10KHZ。
- 低功耗——整體功耗小于1uA。
- 低成本。
- 小型封裝SMT。
由于NEC 山梨MR磁傳感器的上述特點(diǎn)，其非常適合機(jī)電式水表應(yīng)用。響應(yīng)頻率高，可以達(dá)到10 kHz以上，這樣就可以直接測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速，得到水表的瞬時(shí)流量，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用水情況。采用兩個(gè)TMR傳感器，根據(jù)四種不同狀態(tài)信號(hào)，可以獲得葉輪的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速，NEC山梨MR傳感器可以實(shí)現(xiàn)：
- 瞬時(shí)流量檢測(cè)。
- 漏水及大流量報(bào)警。
- 逆流檢測(cè)。
4、NEC MR Sensor在水表中的應(yīng)用
1）水平方向檢測(cè)：采用長(zhǎng)條或者圓柱體水平磁化磁鐵， MR Sensor和磁鐵在同一平面，磁鐵隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 MR Sensor輸出方波信號(hào)，可以得到葉輪的轉(zhuǎn)速，就可以計(jì)算瞬時(shí)流量。如果安裝2個(gè)磁阻芯片，根據(jù)四種狀態(tài)，就可以獲得旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，可以進(jìn)行逆流檢測(cè)。
2）垂直方向檢測(cè)：
采用長(zhǎng)條或者圓柱體水平磁化磁鐵，MR Sensor安裝在磁鐵上方，磁鐵隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 MR Sensor輸出方波信號(hào)，可以得到葉輪的轉(zhuǎn)速，就可以計(jì)算瞬時(shí)流量。如果安裝2個(gè)磁阻芯片，根據(jù)四種狀態(tài)，就可以獲得旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，可以進(jìn)行逆流檢測(cè)。
二、超聲波測(cè)量在電子式水表中的應(yīng)用
1、超聲波測(cè)量原理
時(shí)差法超聲波測(cè)量是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)檢測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。
超聲波時(shí)差法測(cè)量原理示意圖
如上圖所示，超聲波在靜止流體中的傳播速度用C表示，則順流和逆流的傳播時(shí)間分別為：
其中 Toffset 包含換能器的響應(yīng)時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的 Toffset 是一樣的。順、逆流傳播的時(shí)間差為：
由此得到流體流速V和瞬時(shí)流量Q的計(jì)算公式（K為流速分布修正系數(shù)）：
2、德國(guó)ACAM公司針對(duì)超聲波水表市場(chǎng)推出的TDC-GP22
1）TDC-GP22的技術(shù)核心
TDC—即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)的絕對(duì)時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔。
TDC時(shí)間測(cè)量單元
上圖顯示了這種測(cè)量絕對(duì)時(shí)間TDC 的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數(shù)。芯片能獲得的最高測(cè)量精度基本上由信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部門(mén)電路的最短傳播延遲時(shí)間決定。
測(cè)量單元由 START 信號(hào)觸發(fā)，接收到 STOP 信號(hào)停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出 START 信號(hào)和 STOP 信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá) 20 位。 在3.3V和25℃時(shí),GP22的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對(duì)門(mén)電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響。通常是通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償由溫度和電壓變化而引起的誤差。
2）TDC-GP22的特性
- 100% 功能 & 管腳 & 寄存器 與 TDC-GP21兼容 (可1:1進(jìn)行替換)。
- 時(shí)間測(cè)量精度可選擇，最高可以達(dá)到22ps。
- 溫度測(cè)量精度：2mk rms
- TOF飛行時(shí)差的溫漂：<0.3ps/k
- 靜態(tài)電流：<0.1uA@85℃
- 休眠電流：1uA（32K持續(xù)工作下）
可選擇部分: 提供針對(duì)超聲波水表所需要的完整的模擬部分
- 內(nèi)部集成斬波穩(wěn)定的內(nèi)部低噪聲比較器（比較器觸發(fā)offset范圍在±35 mV) 和低串?dāng)_模擬開(kāi)關(guān)，解決了客戶模擬部分設(shè)計(jì)的問(wèn)題， 提高了系統(tǒng)測(cè)量質(zhì)量。
- 內(nèi)部集成低串?dāng)_的模擬開(kāi)關(guān)
3）TDC-GP22在超聲波水表中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
- 高精度的時(shí)間測(cè)量單元，分辨率達(dá)到22ps，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測(cè)量保障，從而實(shí)現(xiàn)高精度、大量程比的設(shè)計(jì)。
- 智能第一個(gè)回波檢測(cè)功能，使得時(shí)間窗口設(shè)置不再受時(shí)差變化影響，從而實(shí)現(xiàn)精確的脈沖間隔測(cè)量，和回流、空管識(shí)別和報(bào)警。
- 第一波脈沖寬度檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)管段中氣泡及覆蓋物的檢測(cè)和報(bào)警。
- 自動(dòng)處理計(jì)算三個(gè)脈沖結(jié)果，并給出平均值，簡(jiǎn)化算法處理過(guò)程，節(jié)省單片機(jī)的資源。
- 可以使用更高頻率>1MHz的換能器的應(yīng)用（由于一個(gè)周期時(shí)間變短，將使時(shí)間窗口設(shè)置非常難，而GP22可以進(jìn)行完美自動(dòng)設(shè)置）
3、TDC-GP22在超聲波水表中的應(yīng)用方案
TDC-GP22是ACAM公司專門(mén)針對(duì)超聲波水表設(shè)計(jì)的。其高精度的時(shí)間測(cè)量功能為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測(cè)量保障；而TDC-GP22的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測(cè)量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP22測(cè)量的低功耗特性使得流量計(jì)的整體功耗大幅降低，為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案?？傮w來(lái)說(shuō)，高精度的時(shí)間測(cè)量，簡(jiǎn)潔的外部電路、集成的內(nèi)部信號(hào)處理算法，超低的整體功耗使得TDC-GP22是超聲波水表設(shè)計(jì)者的不二之選！
