基于TDC—GP22 的超聲波熱量表設(shè)計(jì)*

李世光，劉 超，白星振，高正中

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266590)

0 引 言

按照我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求，供暖收費(fèi)體制按面積收費(fèi)日益顯得不合理，全面施行以熱量計(jì)量收費(fèi)代替面積計(jì)量收費(fèi)的方式勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)早期使用的機(jī)械式熱量表存在容易磨損且使用壽命較低的缺點(diǎn)。作為一種無(wú)障礙式的流量測(cè)量方法，超聲波測(cè)量技術(shù)與溫度測(cè)量相結(jié)合的熱量表將全面替代機(jī)械式熱量表。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)雖然存在部分熱量表生產(chǎn)廠家，但是這些熱量表的精確度低且穩(wěn)定性較差，尤其是小流量時(shí)計(jì)量偏差較大。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)提出了一種符合我國(guó)國(guó)情的小口徑(DN20/DN25)的熱量計(jì)量技術(shù)方案。選用超低功耗的MCU MSP430F4371，通過(guò)TDC—GP22 傳感器集成芯片配合超聲波熱量表實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的測(cè)量，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式熱量表功耗大、易損壞、精度低等缺點(diǎn)。通過(guò)多組熱量表在標(biāo)準(zhǔn)［1］的A 類環(huán)境下的測(cè)量和結(jié)果分析證明設(shè)計(jì)的熱量表精度高且穩(wěn)定性好。

1 超聲波熱量表工作原理

1.1 熱量表物理模型與數(shù)學(xué)模型

本文設(shè)計(jì)的超聲波熱量表主要采用TDC—GP22 來(lái)實(shí)現(xiàn)流量、溫度的電子化測(cè)量，同時(shí)利用MSP430 進(jìn)行流量、溫度以及熱量的相關(guān)計(jì)算。熱量表硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 超聲波熱量表硬件結(jié)構(gòu)Fig 1 Hardware structure of ultrasonic wave heat meter

國(guó)外熱量表采用計(jì)算簡(jiǎn)單但存儲(chǔ)空間較大的K 系數(shù)法來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)熱量表起步較晚，大都采用計(jì)算較為復(fù)雜但存儲(chǔ)空間較小的焓差法計(jì)算熱量［2］。根據(jù)熱力學(xué)理論，熱交換系統(tǒng)釋放(或吸收)的熱量計(jì)算表達(dá)式為［3］

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

1.2 超聲波熱量表基表設(shè)計(jì)

為了避免V 字型安裝和π 型安裝所受水質(zhì)帶來(lái)的管道壁結(jié)垢和管道雜質(zhì)的影響，本文設(shè)計(jì)采取U 型安裝方式。為了盡量減少阻擋水流的橫截面積，減小阻力的同時(shí)也減少水中絮狀物的纏繞，將超聲波反射器改為立柱式結(jié)構(gòu)，以減少壓損，并采用鉚接方式與管壁相連，鏈接穩(wěn)固，變形?。?］，并且采用漸縮管道設(shè)計(jì)來(lái)起到很好的整流作用［5］。超聲波基表示意圖如圖2 所示。

圖2 超聲波基表示意圖Fig 2 Shematic diagram of ultrasonic wave basic gas meter

Pt1000 溫度傳感器安裝在基表的進(jìn)水口和出水口附近，將超聲波熱能表安裝在用戶的管道進(jìn)水口處來(lái)防止有些用戶竊取管道熱水。為了基表管道中水流形態(tài)不受影響，出水口處的溫度傳感器安裝位置如圖2(b)中所示。

1.3 流量測(cè)量單元數(shù)學(xué)原理

超聲波電量表的流量測(cè)量單元以時(shí)差法為設(shè)計(jì)原理，其計(jì)算公式為［6］

式中 c 為流體中聲速;Δt 為順逆流時(shí)間差;L 為有效聲程;θ 為聲道夾角。

其中，聲速c 是流體溫度的函數(shù)，為了消除溫度對(duì)上式的影響，可以設(shè)超聲波順流傳播時(shí)間為t0，逆流傳播時(shí)間為t1。采取的處理方法是

則有

超聲波測(cè)量的速度v 為線速度，而流量計(jì)算時(shí)采用的是面速度ˉv，所以，引入了校準(zhǔn)系數(shù)K，即K=ˉv/v，體積流量公式為

式中 D 為管道直徑。

2 TDC—GP22 芯片功能與設(shè)計(jì)

2.1 TDC—GP22 芯片介紹

因TDC—GP22 芯片是在TDC—GP21 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，所以，TDC—GP22 的功能、管腳、寄存器與TDC—GP21 可以完全兼容。內(nèi)置32 kHz 晶振，超低的測(cè)量功耗(整體功耗僅2.3 μA，靜態(tài)功耗0.005 μA。TDC—GP22 除了具備TDC—GP21 的所有特性外，還增加了3 個(gè)重要的功能:

1)第一個(gè)回波智能檢測(cè)功能:TDC—GP22 使得時(shí)間窗口設(shè)置不再受時(shí)差變化影響，從而實(shí)現(xiàn)精確的脈沖間隔測(cè)量和回流、空管識(shí)別和報(bào)警。

2)目前市面上僅TDC—GP22 可以實(shí)現(xiàn)的第一波脈沖寬度測(cè)量功能:TDC-GP22 的脈沖寬度測(cè)量可以幫助在熱量表應(yīng)用中檢測(cè)段內(nèi)是否有氣泡影響，以及檢測(cè)管段內(nèi)的長(zhǎng)期覆蓋物，給出報(bào)警信號(hào)。

3)簡(jiǎn)化的多脈沖結(jié)果計(jì)算功能:TDC—GP22 芯片將會(huì)自動(dòng)處理計(jì)算3 個(gè)脈沖結(jié)果，并給出平均值。通過(guò)這種方式，測(cè)量的結(jié)果完全由TDC—GP22 自動(dòng)完成，MCU 僅需直接讀結(jié)果，簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量的流程，節(jié)省單片機(jī)資源。

TDC—GP22 設(shè)計(jì)電路如圖3 所示。

圖3 TDC—GP22 設(shè)計(jì)電路Fig 3 Circuit design of TDC—GP22

設(shè)計(jì)主要包括超聲波流量測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊。電源部分VIO 和VCC 通過(guò)小阻值電阻器R3 來(lái)分離并且用旁路電容器去耦。

2.2 振蕩器電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)振蕩器選擇了一個(gè)32.768 kHz 石英晶體和一個(gè)4 MHz 的陶瓷晶振。32.768 kHz 的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)控制高速時(shí)鐘的起振和對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，F(xiàn)IRE_IN 管腳可以用于32.768 kHz 晶振的驅(qū)動(dòng)輸出，單片機(jī)可以省去一個(gè)低功耗振蕩器。TDC—GP22 可以通過(guò)內(nèi)部電路控制晶振的開啟時(shí)間，當(dāng)不需要測(cè)量時(shí)間時(shí)，晶振關(guān)閉來(lái)達(dá)到降低功耗的目的。

2.3 TDC—GP22 的溫度和流量檢測(cè)設(shè)計(jì)

TDC—GP22 的溫度測(cè)量是基于ACAM 公司的PICOSTRAIN 測(cè)量原理的［7］。Pt1000 溫度傳感器電阻的變化被轉(zhuǎn)換為高精度的時(shí)間測(cè)量間隔。溫度測(cè)量單元的電阻測(cè)量端口PT1，PT2 端口用于測(cè)量熱量表進(jìn)出口的水溫，PT3，PT4端口同時(shí)連接到一個(gè)參考電阻器上。

TDC—GP22 對(duì)于一次溫度的檢測(cè)是完全自動(dòng)完成的，會(huì)在實(shí)際測(cè)量之后置位中斷標(biāo)志位并且將測(cè)量結(jié)果保存在寄存器中。

在超聲波熱量表的流量測(cè)量環(huán)節(jié)中，超聲波電路的外圍設(shè)計(jì)僅僅需要在換能器一端介入2 只參考電阻器和電容器，極大地簡(jiǎn)化了整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)。超聲波熱量表高質(zhì)量的前提條件是保證電壓零點(diǎn)漂移小于2 mV。超聲波換能器接收到為幾百毫伏的正弦振蕩信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的斬波穩(wěn)定比較器的觸發(fā)電壓設(shè)置為1/3 VCC 并且可以頻繁地校正比較器的電壓零點(diǎn)漂移，使其自動(dòng)調(diào)整到小于2 mV。數(shù)字TDC 的高速單元在測(cè)量范圍2 中測(cè)量從START 或者STOP 信號(hào)到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔［7］。

基于時(shí)差法的流量檢測(cè)環(huán)節(jié)中，測(cè)量結(jié)果由超聲波流和逆流傳播兩次單程時(shí)間測(cè)量組成。在這兩次時(shí)間沒(méi)有相減之前使用同一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘，可以避免時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3 TDC—GP22 第一波檢測(cè)功能

目前的超聲波熱量表測(cè)量中存在著兩個(gè)問(wèn)題:一是當(dāng)供暖部門的水質(zhì)較差或者熱能表使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，換能器表面、超聲波反射鏡面或者測(cè)量管道上或出現(xiàn)一些覆蓋雜物，這些覆蓋的雜物會(huì)影響超聲波信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)從±400 mV 到小于±80 mV 的衰減。此時(shí)，若第一個(gè)波的幅值低于設(shè)定的offset 值，測(cè)量結(jié)果將會(huì)跳變一個(gè)周期;二是現(xiàn)有的測(cè)量芯片僅通過(guò)設(shè)定固定的DALVAL 數(shù)值來(lái)判斷飛行時(shí)間的變化，而忽略了溫度的變化會(huì)影響超聲波的聲速，因此，不能準(zhǔn)確地判斷出飛行時(shí)間和驅(qū)動(dòng)周期的大小。

TDC—GP22 的第一波檢測(cè)功能使得芯片測(cè)量脈沖的時(shí)間完全與流體的溫度和速度無(wú)關(guān)，而僅與第一個(gè)回波的時(shí)間相關(guān)。這樣可以濾除掉錯(cuò)誤的零點(diǎn)檢測(cè)和零點(diǎn)識(shí)別值。圖4 為第一波模式示意圖。

圖4 第一波模式示意圖Fig 4 Diagram of the first wave mode

第一個(gè)波檢測(cè)的比較器offset 值通過(guò)脈沖發(fā)生器調(diào)整到合適位置。當(dāng)TDC—GP22 測(cè)量第一個(gè)波上升沿和下降沿的時(shí)間寬度PWM1 后，在圖2(b)中的b 時(shí)刻offset 值降為0。然后通過(guò)參數(shù)DELREL1，DELREL2，DELREL3 的值來(lái)設(shè)置時(shí)間測(cè)量的屏蔽窗口，以此來(lái)選擇測(cè)量第幾個(gè)波的回波時(shí)間。如圖，當(dāng)DELREL1=3，即測(cè)量第五個(gè)波的回波時(shí)間寬度PWM2 時(shí)，GP22 將測(cè)量的第一個(gè)振蕩回波半周期的脈沖寬度PWM1 與PWM2 作出比值。此比值越小所接收到的信號(hào)越弱，若這個(gè)比值小于0.5 時(shí)，說(shuō)明管段或者換能器或者反射鏡片上有太多沉淀雜物，也可能是由于管段內(nèi)的氣泡引起信號(hào)強(qiáng)度的下降。此時(shí)可以給CPU 發(fā)送報(bào)警信號(hào)。TDC—GP22 會(huì)自動(dòng)計(jì)算所有3 個(gè)stop 脈沖，只要收到中斷信號(hào)，則可以立即讀出測(cè)量的結(jié)果和平均值，簡(jiǎn)化了與單片機(jī)的通信。當(dāng)位于圖4 所示的空管段o－a，offset 值會(huì)保持不變，stop 信號(hào)也不會(huì)產(chǎn)生，TDC 將會(huì)發(fā)出溢出信號(hào)。

TDC—GP22 簡(jiǎn)化的多脈沖計(jì)算流程框圖如圖5 所示。

圖5 TDC—GP22 多脈沖計(jì)算流程Fig 5 Multi-pulse calculation process of TDC—GP22

通過(guò)TDC—GP22 的多脈沖計(jì)算，自動(dòng)完成測(cè)量結(jié)果的計(jì)算，單片機(jī)只需要直接讀取，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量的流程，節(jié)省了時(shí)間和功耗。

4 檢測(cè)環(huán)境與結(jié)果

通過(guò)FLUKE 15B 對(duì)熱量表進(jìn)行功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 熱量表功耗測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data of heat meter power consumption

選用精密數(shù)字測(cè)溫儀SPI1602A 和恒溫槽HWC—R—L 來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)試，溫度測(cè)試結(jié)果(50 ℃)如表2。

表2 溫度測(cè)試值與真實(shí)值對(duì)比Tab 2 Comparison of temperature test values and true value

流量測(cè)試是在熱量表檢定裝置RJZ15—25Z 上進(jìn)行;流量測(cè)試按照2 級(jí)表流量傳感器出廠測(cè)試準(zhǔn)確度公式［1］進(jìn)行對(duì)比

式中 qp為常用流量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007 查閱公稱直徑DN20 對(duì)應(yīng)qp值為2.5 m3/h。熱量表在55 ℃下測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)市場(chǎng)上熱量表的需求和存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于超聲波測(cè)量原理的低功耗高精度熱量表。優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)和TDC—GP22 的簡(jiǎn)化測(cè)量極大地降低了熱量表的功 耗。通過(guò)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007規(guī)定環(huán)境下的測(cè)試，熱量表測(cè)量精度完全符合對(duì)熱量表的2 級(jí)準(zhǔn)確度的要求;熱量表流量測(cè)量能控制在較小的誤差值范圍內(nèi)。所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表具有極高的推廣價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

表3 流量測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比Tab 3 Comparison of flow measurement value and true value

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJ128—2007 熱量表中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］ 鞠文濤.超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與研發(fā)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［3］ 甄蘭蘭，沈昱明.熱量表的熱量計(jì)算原理及計(jì)算［J］.自動(dòng)化儀表，2004(10):41－44.

［4］ 林文卓，王樹鐸.國(guó)內(nèi)戶用超聲波熱量表技術(shù)現(xiàn)狀［J］.暖通空調(diào)，2012(12):129－131.

［5］ 劉永輝，杜廣生.反射裝置對(duì)超聲波流量計(jì)水流特性影響的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011(5):1183－1188.

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［7］ Datasheet TDC—GP22［EB/OL］.［2012—01—10］.http://www.acam.de.