基于TDC—GP22 的超声波热量表设计*

2015-03-30李世光白星振高正中

传感器与微系统 2015年8期

李世光，刘超，白星振，高正中

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590)

0 引言

按照我国建设节约型社会的要求，供暖收费体制按面积收费日益显得不合理，全面施行以热量计量收费代替面积计量收费的方式势在必行。国内早期使用的机械式热量表存在容易磨损且使用寿命较低的缺点。作为一种无障碍式的流量测量方法，超声波测量技术与温度测量相结合的热量表将全面替代机械式热量表。国内市场虽然存在部分热量表生产厂家，但是这些热量表的精确度低且稳定性较差，尤其是小流量时计量偏差较大。

针对这些问题，本文设计提出了一种符合我国国情的小口径(DN20/DN25)的热量计量技术方案。选用超低功耗的MCU MSP430F4371，通过TDC—GP22 传感器集成芯片配合超声波热量表实现高质量的测量，克服了传统的机械式热量表功耗大、易损坏、精度低等缺点。通过多组热量表在标准［1］的A 类环境下的测量和结果分析证明设计的热量表精度高且稳定性好。

1 超声波热量表工作原理

1.1 热量表物理模型与数学模型

本文设计的超声波热量表主要采用TDC—GP22 来实现流量、温度的电子化测量，同时利用MSP430 进行流量、温度以及热量的相关计算。热量表硬件结构如图1。

图1 超声波热量表硬件结构Fig 1 Hardware structure of ultrasonic wave heat meter

国外热量表采用计算简单但存储空间较大的K 系数法来实现热量的计算，国内热量表起步较晚，大都采用计算较为复杂但存储空间较小的焓差法计算热量［2］。根据热力学理论，热交换系统释放(或吸收)的热量计算表达式为［3］

式中 Q 为用户消耗的热量，J;qm为流经热量表的水的质量流量，kg/h;qv为流经热量表的水的体积流量，m3/h;ρ 为水的密度，kg/m3;Δh 为水的焓差值，J/kg;τ 为时间，h。

1.2 超声波热量表基表设计

为了避免V 字型安装和π 型安装所受水质带来的管道壁结垢和管道杂质的影响，本文设计采取U 型安装方式。为了尽量减少阻挡水流的横截面积，减小阻力的同时也减少水中絮状物的缠绕，将超声波反射器改为立柱式结构，以减少压损，并采用铆接方式与管壁相连，链接稳固，变形小［4］，并且采用渐缩管道设计来起到很好的整流作用［5］。超声波基表示意图如图2 所示。

图2 超声波基表示意图Fig 2 Shematic diagram of ultrasonic wave basic gas meter

Pt1000 温度传感器安装在基表的进水口和出水口附近，将超声波热能表安装在用户的管道进水口处来防止有些用户窃取管道热水。为了基表管道中水流形态不受影响，出水口处的温度传感器安装位置如图2(b)中所示。

1.3 流量测量单元数学原理

超声波电量表的流量测量单元以时差法为设计原理，其计算公式为［6］

式中 c 为流体中声速;Δt 为顺逆流时间差;L 为有效声程;θ 为声道夹角。

其中，声速c 是流体温度的函数，为了消除温度对上式的影响，可以设超声波顺流传播时间为t0，逆流传播时间为t1。采取的处理方法是

则有

超声波测量的速度v 为线速度，而流量计算时采用的是面速度¯v，所以，引入了校准系数K，即K=¯v/v，体积流量公式为

式中 D 为管道直径。

2 TDC—GP22 芯片功能与设计

2.1 TDC—GP22 芯片介绍

因TDC—GP22 芯片是在TDC—GP21 的基础上发展而来，所以，TDC—GP22 的功能、管脚、寄存器与TDC—GP21 可以完全兼容。内置32 kHz 晶振，超低的测量功耗(整体功耗仅2.3 μA，静态功耗0.005 μA。TDC—GP22 除了具备TDC—GP21 的所有特性外，还增加了3 个重要的功能:

1)第一个回波智能检测功能:TDC—GP22 使得时间窗口设置不再受时差变化影响，从而实现精确的脉冲间隔测量和回流、空管识别和报警。

2)目前市面上仅TDC—GP22 可以实现的第一波脉冲宽度测量功能:TDC-GP22 的脉冲宽度测量可以帮助在热量表应用中检测段内是否有气泡影响，以及检测管段内的长期覆盖物，给出报警信号。

3)简化的多脉冲结果计算功能:TDC—GP22 芯片将会自动处理计算3 个脉冲结果，并给出平均值。通过这种方式，测量的结果完全由TDC—GP22 自动完成，MCU 仅需直接读结果，简化了整个测量的流程，节省单片机资源。

TDC—GP22 设计电路如图3 所示。

图3 TDC—GP22 设计电路Fig 3 Circuit design of TDC—GP22

设计主要包括超声波流量测量模块和温度测量模块。电源部分VIO 和VCC 通过小阻值电阻器R3 来分离并且用旁路电容器去耦。

2.2 振荡器电路的设计

本设计振荡器选择了一个32.768 kHz 石英晶体和一个4 MHz 的陶瓷晶振。32.768 kHz 的基准时钟来控制高速时钟的起振和对时钟进行校准。另外，FIRE_IN 管脚可以用于32.768 kHz 晶振的驱动输出，单片机可以省去一个低功耗振荡器。TDC—GP22 可以通过内部电路控制晶振的开启时间，当不需要测量时间时，晶振关闭来达到降低功耗的目的。

2.3 TDC—GP22 的温度和流量检测设计

TDC—GP22 的温度测量是基于ACAM 公司的PICOSTRAIN 测量原理的［7］。Pt1000 温度传感器电阻的变化被转换为高精度的时间测量间隔。温度测量单元的电阻测量端口PT1，PT2 端口用于测量热量表进出口的水温，PT3，PT4端口同时连接到一个参考电阻器上。

TDC—GP22 对于一次温度的检测是完全自动完成的，会在实际测量之后置位中断标志位并且将测量结果保存在寄存器中。

在超声波热量表的流量测量环节中，超声波电路的外围设计仅仅需要在换能器一端介入2 只参考电阻器和电容器，极大地简化了整个硬件电路的设计。超声波热量表高质量的前提条件是保证电压零点漂移小于2 mV。超声波换能器接收到为几百毫伏的正弦振荡信号，通过内部的斩波稳定比较器的触发电压设置为1/3 VCC 并且可以频繁地校正比较器的电压零点漂移，使其自动调整到小于2 mV。数字TDC 的高速单元在测量范围2 中测量从START 或者STOP 信号到相邻的基准时钟上升沿之间的时间间隔［7］。

基于时差法的流量检测环节中，测量结果由超声波流和逆流传播两次单程时间测量组成。在这两次时间没有相减之前使用同一个校准时钟，可以避免时钟抖动对测量结果的影响。

3 TDC—GP22 第一波检测功能

目前的超声波热量表测量中存在着两个问题:一是当供暖部门的水质较差或者热能表使用时间较长时，换能器表面、超声波反射镜面或者测量管道上或出现一些覆盖杂物，这些覆盖的杂物会影响超声波信号的传输，导致测量信号从±400 mV 到小于±80 mV 的衰减。此时，若第一个波的幅值低于设定的offset 值，测量结果将会跳变一个周期;二是现有的测量芯片仅通过设定固定的DALVAL 数值来判断飞行时间的变化，而忽略了温度的变化会影响超声波的声速，因此，不能准确地判断出飞行时间和驱动周期的大小。

TDC—GP22 的第一波检测功能使得芯片测量脉冲的时间完全与流体的温度和速度无关，而仅与第一个回波的时间相关。这样可以滤除掉错误的零点检测和零点识别值。图4 为第一波模式示意图。

图4 第一波模式示意图Fig 4 Diagram of the first wave mode

第一个波检测的比较器offset 值通过脉冲发生器调整到合适位置。当TDC—GP22 测量第一个波上升沿和下降沿的时间宽度PWM1 后，在图2(b)中的b 时刻offset 值降为0。然后通过参数DELREL1，DELREL2，DELREL3 的值来设置时间测量的屏蔽窗口，以此来选择测量第几个波的回波时间。如图，当DELREL1=3，即测量第五个波的回波时间宽度PWM2 时，GP22 将测量的第一个振荡回波半周期的脉冲宽度PWM1 与PWM2 作出比值。此比值越小所接收到的信号越弱，若这个比值小于0.5 时，说明管段或者换能器或者反射镜片上有太多沉淀杂物，也可能是由于管段内的气泡引起信号强度的下降。此时可以给CPU 发送报警信号。TDC—GP22 会自动计算所有3 个stop 脉冲，只要收到中断信号，则可以立即读出测量的结果和平均值，简化了与单片机的通信。当位于图4 所示的空管段o－a，offset 值会保持不变，stop 信号也不会产生，TDC 将会发出溢出信号。

TDC—GP22 简化的多脉冲计算流程框图如图5 所示。

图5 TDC—GP22 多脉冲计算流程Fig 5 Multi-pulse calculation process of TDC—GP22

通过TDC—GP22 的多脉冲计算，自动完成测量结果的计算，单片机只需要直接读取，从而简化了整个测量的流程，节省了时间和功耗。

4 检测环境与结果

通过FLUKE 15B 对热量表进行功耗测试，测试结果如表1。

表1 热量表功耗测试数据Tab 1 Test data of heat meter power consumption

选用精密数字测温仪SPI1602A 和恒温槽HWC—R—L 来进行温度测试，温度测试结果(50 ℃)如表2。

表2 温度测试值与真实值对比Tab 2 Comparison of temperature test values and true value

流量测试是在热量表检定装置RJZ15—25Z 上进行;流量测试按照2 级表流量传感器出厂测试准确度公式［1］进行对比

式中 qp为常用流量，根据标准CJ128—2007 查阅公称直径DN20 对应qp值为2.5 m3/h。热量表在55 ℃下测试，结果如表3 所示。

5 结束语

本文针对市场上热量表的需求和存在的一些问题，设计了基于超声波测量原理的低功耗高精度热量表。优化的电路设计和TDC—GP22 的简化测量极大地降低了热量表的功耗。通过在行业标准CJ128—2007规定环境下的测试，热量表测量精度完全符合对热量表的2 级准确度的要求;热量表流量测量能控制在较小的误差值范围内。所设计的超声波热量表具有极高的推广价值和广阔的发展前景。