基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設計

0 引言

按照建設節約型社會(huì )的要求，冬季取暖實(shí)行熱能計量收費變得越來(lái)越普遍，因此以超聲波熱量表為代表的熱量計量產(chǎn)品普及率會(huì )越來(lái)越高。國外熱量表利用其先進(jìn)的技術(shù)、可靠的質(zhì)量等優(yōu)勢占據歐洲大部分市場(chǎng)，但其價(jià)格昂貴，在我國難以推廣應用。目前國內市場(chǎng)上所設計的超聲波熱量表存在著(zhù)功耗大、精度低等問(wèn)題。

針對上述問(wèn)題，利用時(shí)差法原理，基于A(yíng)cam公司的專(zhuān)用熱量表設計的功能更強大的計時(shí)芯片GP22，設計了一款符合我國國情的高精度低功耗超聲波熱量表。所設計熱量表是利用一對配對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波信號，通過(guò)計時(shí)芯片TDC_GP22測量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時(shí)間差來(lái)測量管道內的水速，再通過(guò)流速計算出水的流量。設計完成后在A(yíng)類(lèi)環(huán)境[2]條件下對多組熱量表進(jìn)行了測試。

1 超聲波熱量表的測量原理

1.1 超聲波熱量表的熱量計量數學(xué)模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上添加溫度傳感器實(shí)現溫度的測量，通過(guò)測出管道內水流量和供、回水溫差來(lái)計算用戶(hù)所消耗的熱量。水流經(jīng)過(guò)熱交換系統時(shí)，依據流量傳感器測出的流量和溫度傳感器測出的供水溫度、回水溫度，以及TDC-GP22測出水流經(jīng)過(guò)的時(shí)間，再通過(guò)CPU的計算就可以得到用戶(hù)實(shí)際消耗的熱量。實(shí)際應用中流經(jīng)水的質(zhì)量通過(guò)轉換為測量水的體積得出，用戶(hù)消耗熱量的計算依據為行業(yè)標準CJ128-2007給出的熱量計算公式：

    （1）

式中：Q為用戶(hù)消耗的熱量，單位J；qm為流經(jīng)熱量表水的質(zhì)量流量，單位kg/h；qv為流經(jīng)熱量表水的體積流量，單位m³/h；ρ為水的密度，單位kg/m³；△h為水的焓差值，單位J/kg；τ為時(shí)間，單位h。

1.2 時(shí)差法測流量原理及其數學(xué)模型

超聲波瞬時(shí)流量測量是利用時(shí)差法原理進(jìn)行測量的，而基表的選型不同其測量精度也不同，因此基表的選型直接關(guān)系到最后熱量表的測量精度。通過(guò)查閱參考可知，W型基表優(yōu)點(diǎn)尤為突出，此基表沒(méi)有明顯的擾動(dòng)部件，能反映不同截面的流速且測量時(shí)受溫度影響較小，而且由于W安裝方案超聲波經(jīng)過(guò)3次反射，超聲波傳播路徑較長(cháng)，根據時(shí)差法測量原理，這使得W型測量精度較高，因此本文采用W反射式超聲波熱量表基表。

超聲波熱量表測量原理如圖1所示，所設計熱量表是利用一對配對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波信號，通過(guò)計時(shí)芯片TDC_GP22測量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時(shí)間差來(lái)測量管道內的水速，然后通過(guò)流速計算出水的流量。P1、P2和P3為超聲波反射板，θ為超聲波的反射角，L為超聲波的傳輸距離（L=L1+L2+L3+L4），c為超聲波在靜水中的傳播速度，S為管徑截面積，A、B為超聲波換能器。

圖1 超聲波熱量表流量測量原理圖

當A向B發(fā)送超聲波時(shí)測出的順流傳播時(shí)間td為：

    （2）

當B向A發(fā)送超聲波時(shí)測出的逆流傳播時(shí)間tu為：

tu=L/（c-vcosθ）    （3）

則時(shí)差△t為：

    （4）

從而得出水流速度：

v=c²△t/2Lcosθ    （5）

利用超聲波測量得出速度v為線(xiàn)速度，根據體積流量計算方法需要計算面速度v，所以引入了校準系數k，即，體積流量公式為：

    （6）

2 TDC-GP22功能特性及其外圍電路的設計

2.1 TDC-GP22測量原理及功能特性

TDC-GP22是德國ACAM公司生產(chǎn)的最新一代高精度計時(shí)芯片。它利用信號通過(guò)邏輯門(mén)的絕對時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔。并且這個(gè)高精度的時(shí)間測量單元TDC的分辨率達到22ps，為時(shí)差法流量計的應用提供了基本的測量保障。由于該芯片具有智能第一波檢測功能，使得該芯片非常適合低成本的超聲波熱量表的應用。

因TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎上發(fā)展而來(lái)，所以TDC-GP22的功能、管腳、寄存器與TDC-GP21可以100%兼容（可1：1進(jìn)行替換）。TDC-GP22除了具備TDC-GP21的所有特性外，還增加了3個(gè)重要功能：智能第一個(gè)回波檢測功能、第一波脈沖寬度測量功能，簡(jiǎn)化的多脈沖結果計算功能。其中智能第一個(gè)回波檢測功能是TDC-GP22芯片的最主要的一個(gè)功能的提升。第一回波檢測功能不僅能夠避免因忽略溫度變化而導致不能準確判斷超聲波傳播時(shí)間和驅動(dòng)周期大小情況，而且還可以解決由于在測量換能器及測量反射鏡面上或者測量殼體上出現覆蓋物等因素導致的測量信號衰減，解決了第一個(gè)波的準確識別問(wèn)題。

2.2 TDC-GP22的第一波檢測功能測量流程

TDC-GP22的第一波檢測功能測量流程如圖2所示，通過(guò)脈沖觸發(fā)器，將第一波檢測所需的比較器offset（偏移值）觸發(fā)水平設置到一個(gè)可編輯的水平。例如設置到+20mV來(lái)安全獲得第二個(gè)波的位置，GP22在測量了脈沖1的脈沖寬度后，將會(huì )在t2點(diǎn)自動(dòng)地將offset的觸發(fā)水平設置回0mV，然后自動(dòng)在寄存器DELREL1～DELREL3中設置時(shí)間測量屏蔽窗口，比如設置DELREL1=3，則在第一個(gè)波測量到之后，將會(huì )測量第3個(gè)波的回波時(shí)間，此時(shí)，第一個(gè)真實(shí)時(shí)間的半波周期（hwp）也同時(shí)被記錄，將會(huì )作為第一個(gè)波的寬度的比較參考。如圖2中，測量的是第5個(gè)脈沖的寬度，而比率hwp1/hwp5可以反應信號的強弱，其比值越小，則接收到的信號越弱。這個(gè)信息可以用于監控流體的特性。如果經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間在管段或者換能器上有太多的沉淀物，則這個(gè)信號的比值可能會(huì )降低到低于0.5，這個(gè)時(shí)候可以在今后的測量中選擇第二個(gè)脈沖作為參考。如果信號的降低是因為氣泡引起的，GP22會(huì )自動(dòng)地給單片機發(fā)出報警信號。GP22還可以自動(dòng)地計算所有3個(gè)stop（停止通道）脈沖，并計算出其平均值儲存到寄存器4中，無(wú)需像GP21當中再對寄存器重新發(fā)送命令，通過(guò)這種方式，大大簡(jiǎn)化了與單片機的通信。如果A段時(shí)間內，噪聲沒(méi)有觸發(fā)TDC，則TDC將會(huì )給出一個(gè)溢出，此時(shí)說(shuō)明管段為空管狀態(tài)。

圖2 FirstWave模式

2.3 TDC-GP22外圍電路的設計

TDC-GP22外圍電路設計如圖3所示。芯片TDC-GP22的引腳FIRE_UP和FIRE_DOWN用來(lái)發(fā)送和接收超聲波信號，由于芯片內部集成有額外的一個(gè)模擬電路輸入部分，此添加功能大大簡(jiǎn)化了整個(gè)外圍電路的設計，僅需將電容和電阻連接到換能器一端即可。芯片TDC-GP22有一個(gè)以PICOSTAIN為基礎的溫度測量單元，其可提供高精度、低功耗的溫度測量。芯片實(shí)現溫度測量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻R1（1kΩ）對電容C1的放電時(shí)間確定的，C1選取100nF，該電容會(huì )分別對參考電阻和Pt1000進(jìn)行放電。引腳23和24連接為測量精度達0.004℃的鉑電阻溫度傳感器Pt1000。

圖3 TDC-GP22外圍電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件在IARFORMSP430環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，程序流程圖如圖4所示。系統上電后，首先進(jìn)行初始化，包括TDC-GP22初始化、時(shí)鐘初始化等。之后進(jìn)入主程序，處理器進(jìn)入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒。其中中斷程序包括欠壓中斷、按鍵中斷、通信中斷、流量測量時(shí)間中斷和溫度測量時(shí)間中斷等。為降低功耗并保證測量精度，溫度的采集時(shí)間設置為30s/次，流量的采集時(shí)間設置為1s。單片機自帶的看門(mén)狗程序保證程序的正常運行。

圖4 系統流程圖4檢測環(huán)境及結果

4 檢測環(huán)境及結果

在完成了超聲波熱量表的整體設計后，通過(guò)微安表GDM-8261對熱量表進(jìn)行功耗測試，測試結果如表1所示。通過(guò)測試可知，所設計熱量表功耗較低，靜態(tài)工作電流≤9μA。

表1 熱量表功耗測試數據

根據熱量表行業(yè)標準文件CJ128-2007中的規定，本文采用管徑為DN25的熱表，水溫度在55℃時(shí)，利用型號為RJZ15-25Z的熱能表檢定裝置，分別在4個(gè)不同的流量點(diǎn)進(jìn)行了測量，測得實(shí)驗數據如表2所示。其中二級表流量傳感器出廠(chǎng)測試準確度公式為Eq=±（2+0.02qp/q），式中qp為常用流量，其值為3.5m³/h。對小流量的測試結果表明，所設計熱量表準確度高，誤差值能控制在1%以?xún)取?/p>

表2 實(shí)際測量結果與真實(shí)值對比

5 結束語(yǔ)

針對社會(huì )需求以及市場(chǎng)上熱量表存在的一些問(wèn)題，基于TDC-GP22芯片，采用W反射式基表設計了低功耗高精度熱量表。在測量精度方面完全符合行業(yè)標準CJ128-2007對熱量表的2級準確度的要求；采用的TDC-GP22芯片簡(jiǎn)化了電路設計，極大降低了熱量表的功耗。由此可知，所設計熱量表能夠較好地解決市場(chǎng)上一些現存熱量表功耗大、持久性低以及小流量狀態(tài)下測量精度低等問(wèn)題，具有較高的推廣以及實(shí)用價(jià)值。