超聲波流量計時差測量方法解析與對比

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

1、電容充電法：受半導體芯片性能線性，我們無法及時的發(fā)現(xiàn)水頭打開或者關閉的，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到要求。偉大的攻城獅們想到了一個絕妙的方法，既然無法觀測水龍頭的具體動作，那么我們就不觀測他了。本文假設水龍頭被打開后，水流的速度是一定的，如果我們用一個桶去將水龍頭流從打開到關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閉的時間了，即使我們花10秒鐘去完成一次稱重的動作，也不影響測量水龍頭的動作時間。這種方法優(yōu)點很顯然，用一個低俗的設備去反推高速設備的動作，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，對硬件要求很高，且容易受到外界環(huán)境干擾而導致測量不準，目前已經很少使用了，此項技術只掌握于極其少數的幾個公司。
2、閥值比較門電路延遲法：此方法使用最簡單，感謝半導體技術的飛速發(fā)展，將超聲波流量計的開發(fā)大大簡化了，不需要過多的專業(yè)知識。還是以測量水龍頭打開、關閉為例子，該方法就相當于我們有一個高精度的秒表，水龍頭打開啟動秒表，水龍頭關閉停止秒表，通過秒表直接讀取秒表時間即可，很神奇哈。此種方法的唯一缺陷在于，如何判斷水龍頭打開、關閉狀態(tài)，因為水龍頭是個連續(xù)量，可能要擰動一圈或者圈才能完全打開，同時隨著時間推移，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（0.5圈或者1圈），來判斷水龍頭的狀態(tài)(打開、關閉)，其主要缺點在于如果水龍頭可以轉動的圈數小于其判斷閥值了，則永遠無法啟動秒表了。這個就是為啥很多水表買到農田灌溉，尤其是西部地區(qū)，一段時間后就趴窩的原因，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。
相對于電容充電法，閥值比較僅僅受到水龍頭的轉動圈數影響，穩(wěn)定性大大提升，同時開發(fā)難度降低了很多，直接讀取數據就好。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MSP430)。3、高速ADC相關法：此方法前兩種方法完全不同，具有本質的區(qū)別，使用高速ADC對信號進行采樣，通過數學的方法計算出時間。此方法類似于，我們擁有一個相機，不停的在拍攝水龍頭照片，當然拍照速度有一定的要求，但是拍照速度遠遠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態(tài)，或者說相關法不需要判斷水龍頭的完整轉態(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閉時間，也就是說相關法，是從很多張照片中尋找最相似的照片（打卡位置一張、關閉位置一張），然后通過拍照的時間來求取時間。有人會問不是拍照速度不夠嗎，如何精確求取時間？這個時候數學方法就有用了，我們可以通過幾張照片的變化趨勢。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達到所需要的精度。
高速ADC相關法，使用相似原理，就像女兒像爸爸一樣，其相像是本質的，不會因為升高和年齡的不同而改變，從這一點就可以看出與閥值比較的本質區(qū)別了，可以理解為閥值通過身高或者年齡來判斷兩個人的相關性，而相關法則依據其體型、外貌特征來判斷其相關性。
高速ADC相關法對CPU計算要求較高，基本需要DSP或者帶DSP指令的ARM內核CPU，對開發(fā)者的數學功底要求較高，此項技術大多集中于國外公司，如西門子、基恩士、弗萊克森，國內用的不多；同時此方案目前只有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，進一步加大了開發(fā)難度。

下一篇：超聲波流量計菜單一覽表