基于TDC-GP22的高精度超声波热量表设计

郭郑文，刘建明，唐　霞

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林　541004；2.桂林电子科技大学计 计算机与信息安全学院，广西 桂林　541004)



基于TDC-GP22的高精度超声波热量表设计

郭郑文1，刘建明2，唐霞1

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004；2.桂林电子科技大学计 计算机与信息安全学院，广西 桂林541004)

针对热量表精度低的问题，设计了一种高精度超声波热量表。基于V型反射时差法测流量原理，选用高精度时间测量芯片TDC-GP22、低功耗MSP43-F149单片机、Pt1000温度传感器和超声波换能器，实现流量和温度的高精度测量。利用TDC-GP22第一波检测技术对测量精度进行优化，根据温度变化调整参数取值，进一步降低误差，提高系统测量精度。实验结果表明，该热量表测量精度高，稳定性好，达到了2级表的行业标准。

超声波热量表；TDC-GP22；第一波捡测；高精度

我国北方寒冷地区冬天都集中供暖，采用集中供暖方式不仅易于管理还可以节约资源，减小空气污染，降低成本。但绝大多数仍以供暖面积和使用时间作为收费依据，这使得用户对供暖能源节约意识淡漠，导致不必要的资源浪费，而且对于经常外出不在家的用户来说，花钱却没有享受到服务，相对来说不公平。近几年，随着国民经济的高速发展，环境保护引起了高度重视，能源的利用更是大力倡导节能。因此，国家提出要加快城镇供热体制改革，由现行按面积、按季度收取供暖费用逐步改为按户消耗热量的供暖收费方式，增强居民的节能意识。国外一些国家的经验表明，采用热量收费方式大约可节省20%～34%的能源，因此热量表技术的应用得到了广泛的关注，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[1]。热量计量收费的关键是准确计量用户消耗的热量。目前，机械式热量表存在易磨损、寿命短等缺点，随着超声波测量技术的应用得到了改善。超声波热量表是一种非接触式热量表，其工作原理为超声波在流动的介质中传播时，便载上了流体的流速信息，通过测量超声波在流体中的传播时间测出流体的速度，进而换算出流量，结合进出口处温度差值，得到热量值。但超声波热量表仍存在精度低、稳定性差等问题[2]。为此，提出一种基于TDC-GP22第一波检测的高精度热量表方案，设计并实现高精度超声波热量表。

1　超声波热量表测量原理

热量表是对热交换值进行计量的仪表，在热交换系统中通过测量流经测试管段载热介质的温度变化以及流量，计算出热交换器的热量交换值。设计的超声波热量表包括流量传感器、温度传感器和积算仪功能器件。热量表测量原理示意图如图1所示。热介质流过热交换器，通过流量传感器测量其瞬时流量，配置在热交换器出入口处的温度传感器测量其温度值，同时将2个测量值送入积算仪进行积分运算，获得热交换器的热量值。积算仪由数字微处理器完成测量数据的读取和相关的计量运算。

图1　热量表测量原理示意图Fig.1　Schematic diagram of heat meter measuring principle

1.1热量计算方法

热量计算方法主要有K系数法、焓差法。K系数法是一种计算简单、存储冗余的传统计算方法，在以往嵌入计算能力有限时这种方法较为流行，且沿用至今。焓差法作为主流热量计算方法，运算量比K系数法大，但现在的微处理器可满足其计算需求。焓差法适用于高集成、高处理速度的仪表设计[3]，因此，采用焓差法进行热量计算。

根据热力学理论，热交换系统释放(或接收)的焓差法热量计算表达式为[4]：

(1)

其中：Q为交换热量；qν为瞬时流量；Δh为焓值差；ρ为载热水密度；t为热交换时间。为了避免复杂的积分运算，在单片机中一般周期性测量瞬时热功率[5]，通过常积分计算周期热量值，最终累积得到热量值的总交换量，

(2)

为简化计算，引入热焓hθ=Cθθ。可以根据采集的温度值，查表得到式(2)的密度值和热焓值，采用线性插值的方法得到精确的数值。

1.2V型反射时差法测流量原理

超声波测量液体流量包括时差法、频差法、多普勒平移法、相差法等，其中，时差法应用最为广泛[6]。时差法将超声波换能器以一定方式固定在管道外，方式包括V型反射法、Z型透过法、U型平行法。为了增加超声波在水流中的行程，使用V型反射法安装换能器，利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过TCP-GP22测量超声波在水中顺流和逆流的传播时间差得到水流速度，然后由水流速度计算管体横截面的瞬时流量。超声波传播示意图如图2所示。

图2　超声波传播示意图Fig.2　Schematic diagram of ultrasonic propagation

通过配置TDC-GP22芯片驱动上游的换能器发射超声波，超声波在水流中传播，经过一次管道壁反射后被下游换能器接收，接收换能器将收到的超声波转换成电信号。超声波发射时刻记为Start信号，接收时刻记为Stop信号。测量时间分为2个部分，即整数周期部分和非整数周期部分。通过计数器计算整数周期个数，利用TDC-GP22内部集成的逻辑门队列，高精度测量非整数周期的时间Tfc1和Tfc2(如图3所示)，从而获得精确时间Tup：

(3)

其中：Tref为参考周期；nc为整数周期个数；Tfc1+Tfc2为非整数周期；Tc2-Tc1为校准参考周期。

图3　超声波发射接收时间的捕获Fig.3　Acquisition of ultrasonic transmitting time and receiving time

根据物理传播原理，时间间隔可表示为：

(4)

其中：D为测试管段的内径；φ为换能器超声波发射方向与管线方向夹角；vc为超声波在水中的传播速度；vw为水流速度；τ为信号时延。同理，GP22驱动下游换能器发射波形时，Tdown同样被TDC-GP22芯片捕获并精确测量，在物理传播回路上表示为：

(5)

所以，由水流而导致的顺流、逆流时间差可表示为：

(6)

其中L为换能器在管线方向的间距。流经测试管段的瞬时流量qv为：

(7)

其中k为修正系数。由式(7)可知，若已知vc、D和L，只要测量逆流和顺流传播时间差Δt，就可以求出水流速度，从而得到管道的瞬时流量。

1.3TDC-GP22温度测量原理

基于TDC-GP22测量电容对目标电阻的放电时间，进而换算得到温度值，以满足高精度测量要求。测量期间电容分别对目标电阻和参考电阻放电，目标电阻Rtemp采用铂电阻Pt1000，将目标电阻的放电时间保存到寄存器res2中，将参考电阻的放电时间保存到寄存器res1中。目标电阻Rtemp的测量公式为[7]：

(8)

其中：Rref为参考电阻，阻值为1 kΩ；tres1为寄存器res1保存的参考电阻的放电时间；tres2为寄存器res2保存的目标电阻的放电时间。温度为0～850 ℃时，铂电阻的温度曲线函数为：

(9)

其中：Rθ为温度在θ时的铂电阻阻值；R0为0 ℃时的铂电阻阻值；A、B为系数，A=3.908×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-1。

2　基于TDC-GP22的热量表硬件设计

2.1TDC-GP22外围硬件电路设计

控制芯片选用TI公司16位超低功耗微处理器MSP430F149单片机，其优良的性能和高性价比适用以纽扣电池供电的低功耗计量仪表；测量芯片选用德国ACAM公司最新推出的超声波流量计、热量表的专用芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片提供最新的第一波检测功能，设置阈值可锁定“第一波”位置，以满足高动态流量环境的超声波测量[8]。所设计的热量表测量模块如图4所示。

图4　热量表测量模块Fig.4　Measurement module of heat meter

测量模块由MSP430F149和TDC-GP22组成。MSP430F149单片机输出32.768 kHz时钟信号供TDC-GP22使用，并通过SPI接口与其通信。TDC-GP22使用测量范围2，最大时间间隔测量范围为4 ms。单片机首先发送启动操作码开始数据测量，TDC-GP22内部脉冲发生器在FIRE_UP引脚产生脉冲激励并触发Start信号，脉冲激励驱动接在SPK的1、2引脚的上游换能器。上游换能器受激励产生超声波，经水流和管壁反射传到下游的换能器。SPK的3、4引脚的下游换能器受到超声波感应产生震荡回波，STOP2引脚接收回波信号，从而形成信号传播回路。与此同时，Start信号启动测量，回波进入STOP2引脚经前置模拟选通电路以及比较器后产生标准STOP截止脉冲，被芯片STOP1引脚识别。通过对测量得到的时间进行计算，完成热量的计量。

所设计的硬件电路通过TDC-GP22的Stop选通电路，同时接收STOP1、STOP2回波信号并比较处理，产生标准STOP脉冲，大大简化了系统的外围设计，提高了系统抗干扰能力。

2.2TDC-GP22第一波检测技术

高动态强流量环境下，传统确定回波起始位置的方法是根据实际飞行时间对一定时域进行屏蔽。TDC-GP22拥有3个屏蔽窗口，通过逻辑“与”和3个外部使能引脚相连，达到屏蔽或关断Hit捕获的目的。屏蔽窗口可屏蔽STOP1通道上3次Hit捕获中的任何一次。由于强流量环境下，很可能出现飞行时间差值大于1个周期的情况，传统的处理方法会造成整个周期的丢失。如图5所示，前3个被使能窗口屏蔽，因此，第4个峰值上升过零点识别为STOP脉冲，而在强流环境下(逆流)，由于飞行时间相比静止的屏蔽窗口滞后，使原被屏蔽的第3个峰值上升过零点移出屏蔽窗口，从而被误判为STOP脉冲。

图5　第一波检测示意图Fig.5　The sketch map of the first wave detection

针对高动态强流量环境下干扰信号对测量结果产生较大影响的问题，用TDC-GP22第一波检测技术去除干扰，实现高精度测量。与使能窗口屏蔽方法不同的是，第一波检测技术在仅保留一个屏蔽窗口前提下设置阈值偏移Offset，识别回波信号的第一个波[9]。由于在回波信号中，前半部的波形是幅值递增的，而强流量移出屏蔽窗口的波形因低于Offset(图5虚线所示)，使得通过Offset检测的第一波位置不变，避免了强流量环境下的误触发。识别第一波位置后，再配置TDC-GP22相关寄存器，可指定第一波之后的第几个波作为STOP1通道的Hit脉冲触发，增强测量的灵活性。此外，第一波还具有信号强度检测功能，对于弱信号的反馈由老化或水质引起的回波衰减作出修正，达到较高的测量精度。

3　系统软件设计

系统软件在IAR FOR MSP430环境下用C语言编写。软件设计分为功能模块、系统异常检测模块。功能模块对系统进行初始化并配置引脚与芯片功能，定时测量瞬时流量值和出入口温度差，对数据进行计算并存储，当系统检测到按键或红外信号时显示相关数据，而空闲时系统进入LM3低功耗模式。系统异常检测模块负责对系统的异常采取相应的报警、重启或自锁等措施。软件流程如图6所示。

图6　软件流程Fig.6　Flow chart of software

系统上电后，单片机对系统时钟、引脚功能、模块外围等进行一系列的初始化，检测各传感器的连接情况，如有异常则进入异常处理模块；开启时钟每隔1 s启动测量并更新瞬时流量；每隔30 s开启测量并更新出入口的温度差；每隔1 s通过瞬时流量和出入口温差求出热功率以及上一周期的累积热量值；同时，中断检测是否有按键按下或红外接收，若有，则开启LCD显示10 s，没有以上事件系统转入休眠状态。

4　测量结果与分析

4.1温度测量结果与分析

温度测量选用精密数字温度仪SPI1602A，其测量精度为+0.01 ℃，测量结果按真实值处理；解热设备选用恒温槽HWC-R-L。实际温度测量与真实值对比如表1所示。

表1　测量温度与真实值对比

从表1可看出，温度测量误差稳定，约为±0.03%。由于温度误差主要来源为电阻、电容型号选取，选取高质量的电阻、电容是减小误差的主要手段。基于目标电阻对电容放电时间测量，采用精度达0.004 ℃的COG系列电容[3]和Pt1000电阻，且设计中PT1000使用二线制接法，能消除接线长短相异造成的线阻误差。因此，所设计的热量表系统降低了测量误差，实现了高精度温度测量。

4.2流量测量结果与分析

流量测量在热量表测试装置RJZ15-25Z上进行，水管口径为DN32。按照行业标准CJ 128-2007要求选取测量流量点，并观察实测值和标准值，修正系统的系数k[10]。选取了4个流量点，流量测量值与真实值对比如表2所示。

从表2可看出，所设计的热量表测量相对误差小于±0.5%，数据重复误差得到较大改善，稳定性明显提高。由于流量测量精度的2个主要指标为超声波在水中飞行时间与超声波在水中传播速度，选用时间测量芯片TDC-GP22，自动计算3次时间差，并利用第一波检测技术在零流量状态下进行伪示值校正，以提高系统飞行时间测量精度。由于超声波的传播速度随温度而变化，超声波的速度差最大可相差150 m/s[10]，导致产生10%的误差。为此，将热量表的温度范围分为10个区间，分别测量超声波速度，进一步降低测量误差。温度、速度测量值如表3所示。

表2　流量测量值与真实值对比

表3　温度、速度测量值

在特定温度区间用相应的速度值进行计算，从而使得1%以下的误差在式(7)计算后几乎可忽略不计。

5　结束语

设计并实现了一种优化的超声波热能表，利用TDC-GP22时间测量芯片的第一波检测技术，通过设置屏蔽窗口中的阈值偏移，获取第一波的准确位置，提高了超声波热能表的测量精度。实验结果表明，第一波检测技术提高了超声波时间差测量的稳定性、精度和复杂环境适应性，提高了系统集成度与抗干扰能力，所设计的热能表系统达到了国家2级表的行业标准，且已投入生产，具备较强稳定性。

[1]李世光，刘超，白星振，等.基于TDC-GP22的超声波热量表设计[J].传感器与微系统，2015(8):83-86.

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[7]ACAM公司.TDC-GP22 Datasheet, DB_GP22_enV0.6 [EB/OL].(2013-2-15)[2013-6-20].http://www.acam.de/index.php?id=tdc&L=4.

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[10]岑敏锐.超声波在液体中的传播速度与温度的关系[J].物理实验，2008,28(5):39-41.

编辑：翁史振

Design of ultrasonic heat meter with high precision based on TDC-GP22

GUO Zhengwen1, LIU Jianming2, TANG Xia1

(1.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.School of Computer and Information Security, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Aiming at low accuracy of heat meter, a high-precision ultrasonic heat meter is designed. Based on the type-V-reflection-time-difference measurement principle, the high-precision time measurement chip TDC-GP22, the low-power microcontroller MSP43-F149, the temperature sensor Pt1000 and the ultrasonic transducer are chosen to achieve high-precision measurement of flow and temperature.The first wave detection technology of TDC-GP22 is utilized to optimize measurement precision. The error is reduced and the measurement accuracy of the system is improved by adjusting parameters according to the change of temperature.Experimental results show that the heat meter system achieves high precision, good stability and meets the second-level industry-standard.

ultrasonic heat meter; TDC-GP22; first wave detection; high accuracy

2016-03-11

国家自然科学基金(61262074,61562015)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划(GDYCSZ01481)

刘建明(1975-)，男，广西桂林人，教授，博士，研究方向为计算机及通信网络组网工程。E-mail:224886689@qq.com

TH81

A

1673-808X(2016)04-0299-06

引文格式：郭郑文，刘建明，唐霞.基于TDC-GP22的高精度超声波热量表设计[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(4):299-304.