高精度超声波热量表的设计

田海军，刘炜明，王 霞

(1.东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012； 2.东北电力大学经济管理学院，吉林 吉林 132012)

高精度超声波热量表的设计

田海军1，刘炜明1，王 霞2

(1.东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012； 2.东北电力大学经济管理学院，吉林 吉林 132012)

采用反射式结构，利用时差法原理，基于STM32F103单片机和计时芯片TDC-GP22设计出了一种高精度的新型超声波热量表，并对其进行了测试.结果表明：该热量表精度高，能满足行业标准二级要求，拥有广阔的应用前景.

超声波；热量表；TDC-GP22；STM32F103；低功耗；高精度

机械式和电磁式热量表受流体影响严重，导致测量不准确.而伴随着超声波流量测量技术兴起的超声波热量表，修缮了以上两种热量表的缺陷[1].本文利用时差法原理，择取意法超低功耗的STM32F103单片机配合德国产高测量精度的计时芯片TDC-GP22，设计出了一种使用寿命长、精度高、功耗小、成本低的超声波热量表.它是利用一对超声波换能器收发超声波信号，通过计时芯片TDC-GP22测量出超声波在水中顺着水流和逆着水流传播的时间差来间接测算水速和水流量.[1-2]用k系数法对流量和温度差进行积分求出热量.

1 测量原理

1.1 热量计算数学模型

载热水流在不同的压力和温度下，热量系数k是变化的.在现实应用中由于热量表安放在水管内，压力几乎恒定不变，所以只需要对照温度这一变量即可从热系数表中找到相对应的热系数.也就是说，能够准确测量管道进出口的水温差和水流量是非常重要的.[3]

超声波热量表(Ultrasonic Heat meter)是通过对测得的水温差和流量进行积分而计算出供给用户的热能.[4]流量测量采取间接测量的方法，温度测量通过引脚PT3和PT4上连接的1 kΩ的电阻对电容放电时间来确定.

1.2 流量计量数学模型

流量计算是利用时差法间接求取的.借助一对超声波换能器测出超声波在顺水和逆水中传播的时间差求出水流的速率，然后根据水流量与流速的推导公式求出流量.[5]不同结构的超声波热量表其测量精度不同，根据在管道的不同位置安放超声波换能器，可以分成直射式、斜射式和反射式3种结构[4].本文选用反射式结构，反射式结构没有改变水流方向，此结构的管道内水流流动方向与超声波在管道内的传递方向相同，减小了误差，并且，超声波传递的距离足够长，为时差法提供了更加精准的测量条件.超声波热量表流量计量原理如图1所示.

图1 超声波热量表流量计量原理

假设测量管道直径为D，超声波换能器A和B间的直线长度为L，超声波换能器与反射柱之间的距离为S，水流速率为V，超声波的传播速率为C[6].

从换能器A到B，超声波传输(顺流)的时间为

(1)

从换能器B到A，超声波传输(逆流)的时间为

(2)

超声波在顺水流和逆水流传播过程的时间差为

(3)

在水中超声波传播的速率是1 500 m/s，然而水流本身的速率远远小于超声波在水中传播的速率，因此公式(3)可简化为

(4)

最终可得水流速率为

(5)

瞬时流量为

(6)

其中k为流速修正系数.

1.3 测温数学模型

根据补偿公式可以得到对应的温度为

、

其中RRatio为电阻比率.

图2 TDC-GP22外围电路温度测量单元

由于采用单芯片温度测量方案，避免了搭建传统的恒流源电路和调理电路，提高了电路的稳定性和精度，而且由于被测电阻和基准电阻连接在同一个充放电电容上，克服了温度漂移对电阻测量的影响，实现了电阻的高精度测量.[8]

2 热量表的硬件设计

电源系统采用B2405-3W芯片和AMS1117-3.3V芯片，将24 V电压转换成3.3 V电压，为各个芯片提供供电电压.系统带有自检功能，系统初始化后可以进入自检程序，检测到系统发生故障时，对应的故障指示灯亮起，同时蜂鸣器发出报警提示.超声波换能器和温度传感器与TDC-GP22相连，通过SPI接口与STM32单片机连接，STM32单片机通过SPI通信接口连接数模转换模块，通过I/O口连接液晶显示器.热量表的硬件系统如图3所示.

图3 热量表硬件系统

3 热量表的软件设计

图4 热量表程序流程

系统软件主要是完成单片机对TDC-GP22的操控，并根据以上公式将TDC-GP22测得的超声波传播时间和测得的管道进回水温度数据计算后进行处理.超声波热量表程序流程如图4所示.

借助TDC-GP22能够很简单地对温度和时差进行测量.经由SPI接口单片机把测量指令传递到TDC-GP22，然后根据指令TDC-GP22可以自动测量各个电阻来自电容的充电时间以及超声波传递的时间，最后经由结果寄存器将结果存储.上述过程完成后，单片机会收到由TDC-GP22发出的中断请求信号，最后单片机再完成对测量结果的处理.

TDC-GP22接收并配置来自STM32F103单片机的控制信号，包括时钟设置、测量模式、通道采用次数及校准设置等，继而初始化.[9]芯片TDC-GP22的引脚FIRE-UP发射超声波触发信号经START引脚接收后，TDC控制单元开始计数，当TDC-GP22的引脚FIRE-DOWN接收到传回来的超声波触发信号时，一个计时周期完成.在第一波检测完成后，比较器自动回到0点进行下一次的测量.

4 测试与结果分析

用TDC-GP22超声波热量表和精准测量仪器对温度的测量结果进行了对比，结果见表1.

表1 温度测试结果 ℃

流量测试是在热量表检定装置上进行的，二级表流量传感器出厂测试准确度公式为

其中qp为常用流量.我们选用公称直径DN20的测试管道，参考行业标准CJ128-2007，DN20对应的qp值是2.5 m3/h，在50℃下的测试结果见表2.

表2 流量测试结果

测试结果表明：在确定测量供热管道后，发现基于TDC-GP22超声波热量表测量精度较高，测量误差较小，能够满足行业标准CJ128-2007关于二级表测量准确度的要求.通过对此系统的功耗进行实验测量和估算，热量表休眠时的电流小于4.7 μA，工作平均电流小于8.5 μA，平均功耗小于0.09 mW.综上所述，我们所设计的超声波热量表不但在测量的精准度上有了大幅度的提升，而且功率的消耗也较低.

5 结束语

采用反射式结构，利用时差法原理，结合Acam公司出产的热量表专用计时芯片TDC-GP22设计了一款高精度低功耗的新型超声波热量表.测试结果充分说明了该超声波热量表性能的优越性，完美地解决了传统热量表使用周期短、成本高、功率损耗大和计量精确度较低等问题，同时使系统的设计趋于简易化，适于广泛的推广和应用.

[1] SHUO SH I，LIU Z，SUN J，et all.Study of errors in ultrasonic heat meter measurements caused by impurities of water based on ultrasonic attenuation[J].Journal of Hydrodynamics Ser B，2015，27(1)：141-149.

[2] YANG M，ZHANG L，SIMON C K，et all.Gabor feature based robust representation and classification for face recognition with Gabor occlusion dictionary[J].Pattern Recognition，2013，46(7)：1865-1878.

[3] 梁灿，袁涛.基于TDC-GP2的超声波热量表[J].仪表技术与传感器，2010(10)：16-17.

[4] 鞠文涛.超声波热量表的设计与研发[D].杭州：浙江大学，2008.

[5] 王贤妮，孙丽华，宋财华.时差法超声波热量表测量流量的修正算法[J].现代制造工程，2013(6)：101-104.

[6] 屈永.超声波热量表的设计与研发[D].南京：南京理工大学，2014.

[7] 邢燕.高精度时间间隔测量系统[J].电子测量技术，2010，33(5)：1-3.

[8] 田海军，张鋆.基于RDC的高精度智能温度测量系统设计[J].制造业自动化，2015，37(12)：139-142.

[9] 梅彥平，张明君.TDC-GP21在超声波热量表中的应用[J].仪表技术与传感器，2012(2)：38-39.

(责任编辑：石绍庆)

Thedesignofprecisionultrasonicwaveheatmeter

TIAN Hai-jun1，LIU Wei-ming1，WANG Xia2

(1.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China； (2.School of Economics and Management，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Adopting the reflection type structure and the method of time difference principle，on the basis of STM32F103 single chip and TDC-GP22 time keeping chip，to design a new type of ultrasonic heat meter with high resolution and carries on the test.The results show that the heat meter with high accuracy and can meet the requirements of heat meter industry standard grade 2，so it has a broad application prospect.

ultrasonic wave；heat meter；TDC-GP22；STM32F103；low power；high precision

1000-1832(2017)03-0078-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.03.017

2016-03-11

国家自然科学基金资助项目(61304015).

田海军(1971—)，男，副教授，硕士，主要从事过程检测技术及层析成像技术研究；刘炜明(1990—)，男，硕士研究生，主要从事检测技术及自动化装置研究.

TP 212.9 [学科代码] 510·10

A