超聲波流量計(jì)時(shí)差測量方法解析與對(duì)比

文章中用通俗易懂的比喻去闡述，本文主要闡述時(shí)間測量方法。
超聲波流量計(jì)/超聲波水表主要分為兩個(gè)部分：超聲波飛行時(shí)間測量、基于飛行時(shí)間計(jì)算流量。本文主要說明目前已知的時(shí)間測量的核心方法：電容充電法、閥值比較門電路延遲法、高速ADC相關(guān)法。本文將以測量一個(gè)水龍頭的打開、關(guān)閉時(shí)間（都是測量時(shí)間）為來描述其測量方法的不同。

1、電容充電法：受半導(dǎo)體芯片性能線性，我們無法及時(shí)的發(fā)現(xiàn)水頭打開或者關(guān)閉的，有可能水龍頭打開1秒后，才發(fā)現(xiàn)水龍頭被打開了，顯然此觀測速度無法達(dá)到要求。偉大的攻城獅們想到了一個(gè)絕妙的方法，既然無法觀測水龍頭的具體動(dòng)作，那么我們就不觀測他了。本文假設(shè)水龍頭被打開后，水流的速度是一定的，如果我們用一個(gè)桶去將水龍頭流從打開到關(guān)閉階段流出的水全部接住，然后用一把稱去稱這里桶里有多少水，這可以反推出水水龍頭從打開到關(guān)閉的時(shí)間了，即使我們花10秒鐘去完成一次稱重的動(dòng)作，也不影響測量水龍頭的動(dòng)作時(shí)間。這種方法優(yōu)點(diǎn)很顯然，用一個(gè)低俗的設(shè)備去反推高速設(shè)備的動(dòng)作，局限線性較大，受以下因素影響：水龍頭生銹（無法完全打開）、管道生銹（水流速度不一樣了）、盛水用的桶生銹（導(dǎo)致稱的水重量發(fā)生變差），稱重用的稱精度發(fā)生變化。

電容充電法，基本是用模擬電路完成搭建，對(duì)硬件要求很高，且容易受到外界環(huán)境干擾而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)，目前已經(jīng)很少使用了，此項(xiàng)技術(shù)只掌握于極其少數(shù)的幾個(gè)公司。
2、閥值比較門電路延遲法：此方法使用最簡單，感謝半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，將超聲波流量計(jì)的開發(fā)大大簡化了，不需要過多的專業(yè)知識(shí)。還是以測量水龍頭打開、關(guān)閉為例子，該方法就相當(dāng)于我們有一個(gè)高精度的秒表，水龍頭打開啟動(dòng)秒表，水龍頭關(guān)閉停止秒表，通過秒表直接讀取秒表時(shí)間即可，很神奇哈。此種方法的唯一缺陷在于，如何判斷水龍頭打開、關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)樗堫^是個(gè)連續(xù)量，可能要擰動(dòng)一圈或者圈才能完全打開，同時(shí)隨著時(shí)間推移，水龍頭可能不能像新的水龍頭完全打開。所謂閥值比較，就是使用一定的圈數(shù)（0.5圈或者1圈），來判斷水龍頭的狀態(tài)(打開、關(guān)閉)，其主要缺點(diǎn)在于如果水龍頭可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)小于其判斷閥值了，則永遠(yuǎn)無法啟動(dòng)秒表了。這個(gè)就是為啥很多水表買到農(nóng)田灌溉，尤其是西部地區(qū)，一段時(shí)間后就趴窩的原因，而處理方法很簡答，只需要將水表卸下來，把傳感器擦一擦就好了。
相對(duì)于電容充電法，閥值比較僅僅受到水龍頭的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)影響，穩(wěn)定性大大提升，同時(shí)開發(fā)難度降低了很多，直接讀取數(shù)據(jù)就好。閥值比較的主要代表芯片有D-Flow, MS1030，MS1022，GP30(自帶CPU)，GP22，EL703.15(周立功主推，自帶個(gè)MSP430)。3、高速ADC相關(guān)法：此方法前兩種方法完全不同，具有本質(zhì)的區(qū)別，使用高速ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，通過數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出時(shí)間。此方法類似于，我們擁有一個(gè)相機(jī)，不停的在拍攝水龍頭照片，當(dāng)然拍照速度有一定的要求，但是拍照速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高精度的秒表速度，而我們又需要秒表的精度，形成了博弈哈。相關(guān)法的精髓在于分析照片的變化程度，通過變化程度來判斷水龍頭的轉(zhuǎn)態(tài)，或者說相關(guān)法不需要判斷水龍頭的完整轉(zhuǎn)態(tài)，只需要分析其變化率，通過變化率來間接的分析水龍頭的打開關(guān)閉時(shí)間，也就是說相關(guān)法，是從很多張照片中尋找最相似的照片（打卡位置一張、關(guān)閉位置一張），然后通過拍照的時(shí)間來求取時(shí)間。有人會(huì)問不是拍照速度不夠嗎，如何精確求取時(shí)間？這個(gè)時(shí)候數(shù)學(xué)方法就有用了，我們可以通過幾張照片的變化趨勢(shì)。反推出其水龍頭變化速度，使用幾張照片變成N張照片，直到N達(dá)到所需要的精度。
高速ADC相關(guān)法，使用相似原理，就像女兒像爸爸一樣，其相像是本質(zhì)的，不會(huì)因?yàn)樯吆湍挲g的不同而改變，從這一點(diǎn)就可以看出與閥值比較的本質(zhì)區(qū)別了，可以理解為閥值通過身高或者年齡來判斷兩個(gè)人的相關(guān)性，而相關(guān)法則依據(jù)其體型、外貌特征來判斷其相關(guān)性。

高速ADC相關(guān)法對(duì)CPU計(jì)算要求較高，基本需要DSP或者帶DSP指令的ARM內(nèi)核CPU，對(duì)開發(fā)者的數(shù)學(xué)功底要求較高，此項(xiàng)技術(shù)大多集中于國外公司，如西門子、基恩士、弗萊克森，國內(nèi)用的不多；同時(shí)此方案目前只有TI推出了集成方法，如使用其他的CPU則需要自己搭建發(fā)送、接收電路，進(jìn)一步加大了開發(fā)難度。

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