隨著社會的進步和工業(yè)的發(fā)展，全球水資源日益緊張，我國政府曾在“十一五”規(guī)劃綱要明確提出：“要把節(jié)水放在突出位置，建立合理的水價形成機制，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。”由此預(yù)計，不遠的將來社會對各類水表的需求量將出現(xiàn)大幅的提高。而能滿足階梯計價的智能式水表將會成為建設(shè)節(jié)水型社會一大利器。
一、NEC MR Sensor 在機電式水表中的應(yīng)用
1、機電式水表的工作原理
機電式水表，也叫智能水表。是通過在水表的讀盤指針或齒輪組的某個位置安裝傳感器元件，將原來的機械水表讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，來實現(xiàn)流量測量一種水表。其工作流程如下圖：
2、MR sensor與其他傳感器的對比
目前，在機電式水表中，用途最廣的傳感器有：韋根、干簧管、霍爾和MR Sensor。由于機電式水表一般由電池供電，對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對水表的精度、準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，把強磁性金屬合金薄膜蒸鍍在IC電路上的磁開關(guān)器件。其特點為：
- 高靈敏度，高精度——靈敏度的一致性最高可達6高斯以內(nèi)。
- 高可靠性——內(nèi)藏溫度保護電路，大幅提升了溫度特性的穩(wěn)定性。
- 響應(yīng)頻率高——可達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，其非常適合機電式水表應(yīng)用。響應(yīng)頻率高，可以達到10 kHz以上，這樣就可以直接測量葉輪的轉(zhuǎn)速，得到水表的瞬時流量，可以實時監(jiān)控用水情況。采用兩個TMR傳感器，根據(jù)四種不同狀態(tài)信號，可以獲得葉輪的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速，NEC山梨MR傳感器可以實現(xiàn)：
- 瞬時流量檢測。
- 漏水及大流量報警。
- 逆流檢測。
4、NEC MR Sensor在水表中的應(yīng)用
1）水平方向檢測：采用長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。 MR Sensor輸出方波信號，可以得到葉輪的轉(zhuǎn)速，就可以計算瞬時流量。如果安裝2個磁阻芯片，根據(jù)四種狀態(tài)，就可以獲得旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，可以進行逆流檢測。
2）垂直方向檢測：
采用長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。 MR Sensor輸出方波信號，可以得到葉輪的轉(zhuǎn)速，就可以計算瞬時流量。如果安裝2個磁阻芯片，根據(jù)四種狀態(tài)，就可以獲得旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，可以進行逆流檢測。
二、超聲波測量在電子式水表中的應(yīng)用
1、超聲波測量原理
時差法超聲波測量是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過檢測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。
超聲波時差法測量原理示意圖
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間分別為：
其中 Toffset 包含換能器的響應(yīng)時間、電路元件造成的延時等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的 Toffset 是一樣的。順、逆流傳播的時間差為：
由此得到流體流速V和瞬時流量Q的計算公式（K為流速分布修正系數(shù)）：
2、德國ACAM公司針對超聲波水表市場推出的TDC-GP22
1）TDC-GP22的技術(shù)核心
TDC—即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。
TDC時間測量單元
上圖顯示了這種測量絕對時間TDC 的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔保電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。芯片能獲得的最高測量精度基本上由信號通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時間決定。
測量單元由 START 信號觸發(fā)，接收到 STOP 信號停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數(shù)器的計數(shù)值可以計算出 START 信號和 STOP 信號之間時間間隔，測量范圍可達 20 位。 在3.3V和25℃時,GP22的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對門電路的傳播延遲時間有很大的影響。通常是通過校準來補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進行替換)。
- 時間測量精度可選擇，最高可以達到22ps。
- 溫度測量精度：2mk rms
- TOF飛行時差的溫漂：<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) 和低串擾模擬開關(guān)，解決了客戶模擬部分設(shè)計的問題， 提高了系統(tǒng)測量質(zhì)量。
- 內(nèi)部集成低串擾的模擬開關(guān)
3）TDC-GP22在超聲波水表中的應(yīng)用優(yōu)勢
- 高精度的時間測量單元，分辨率達到22ps，為時差法流量計的應(yīng)用提供了基本的測量保障，從而實現(xiàn)高精度、大量程比的設(shè)計。
- 智能第一個回波檢測功能，使得時間窗口設(shè)置不再受時差變化影響，從而實現(xiàn)精確的脈沖間隔測量，和回流、空管識別和報警。
- 第一波脈沖寬度檢測功能，實現(xiàn)管段中氣泡及覆蓋物的檢測和報警。
- 自動處理計算三個脈沖結(jié)果，并給出平均值，簡化算法處理過程，節(jié)省單片機的資源。
- 可以使用更高頻率>1MHz的換能器的應(yīng)用（由于一個周期時間變短，將使時間窗口設(shè)置非常難，而GP22可以進行完美自動設(shè)置）
3、TDC-GP22在超聲波水表中的應(yīng)用方案
TDC-GP22是ACAM公司專門針對超聲波水表設(shè)計的。其高精度的時間測量功能為時差法流量計的應(yīng)用提供了基本的測量保障；而TDC-GP22的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅(qū)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片；TDC-GP22測量的低功耗特性使得流量計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。總體來說，高精度的時間測量，簡潔的外部電路、集成的內(nèi)部信號處理算法，超低的整體功耗使得TDC-GP22是超聲波水表設(shè)計者的不二之選！
