基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)*

高正中，譚 沖，趙聯(lián)成，李凱旋，魏寧寧

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)，山東 棗莊277000）

基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)*

高正中1，譚 沖1，趙聯(lián)成2，李凱旋1，魏寧寧1

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)，山東 棗莊277000）

基于新型的高速時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22，利用時(shí)差法測量原理，設(shè)計(jì)了一款高精度低功耗的超聲波熱量表。為提高測量精度，采用W反射式超聲波熱量表基表實(shí)現(xiàn)流量的測量；為實(shí)現(xiàn)低功耗，采用MSP430系列單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制及數(shù)據(jù)處理。TDC-GP22的測量單元主要完成超聲波傳輸時(shí)間和進(jìn)、出口溫度的測量。在A類環(huán)境下對(duì)多組熱量表的測試結(jié)果表明：該熱量表準(zhǔn)確度高，流量誤差能控制在1%以內(nèi)，靜態(tài)工作電流≤9μA，性能穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。

TDC-GP22；超聲波熱量表；低功耗；高精度；W反射式

0 引言

按照建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求，冬季取暖實(shí)行熱能計(jì)量收費(fèi)變得越來越普遍，困此以超聲波熱量表為代表的熱量計(jì)量產(chǎn)品普及率會(huì)越來越高。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(jù)歐洲大部分市場，但其價(jià)格昂貴，在我國難以推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)市場上所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表存在著功耗大、精度低等問題[1]。

針對(duì)上述問題，利用時(shí)差法原理，基于Acam公司的專用熱量表設(shè)計(jì)的功能更強(qiáng)大的計(jì)時(shí)芯片GP22，設(shè)計(jì)了一款符合我國國情的高精度低功耗超聲波熱量表。所設(shè)計(jì)熱量表是利用一對(duì)配對(duì)超聲波換能器相向交替(或同時(shí))收發(fā)超聲波信號(hào)，通過計(jì)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)間差來測量管道內(nèi)的水速，再通過流速計(jì)算出水的流量。設(shè)計(jì)完成后在A類環(huán)境[2]條件下對(duì)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(jì)量數(shù)學(xué)模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上添加溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測量，通過測出管道內(nèi)水流量和供、回水溫差來計(jì)算用戶所消耗的熱量。水流經(jīng)過熱交換系統(tǒng)時(shí)，依據(jù)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)過的時(shí)間，再通過CPU的計(jì)算就可以得到用戶實(shí)際消耗的熱量。實(shí)際應(yīng)用中流經(jīng)水的質(zhì)量通過轉(zhuǎn)換為測量水的體積得出，用戶消耗熱量的計(jì)算依據(jù)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128-2007給出的熱量計(jì)算公式：

式中：Q為用戶消耗的熱量，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；Δh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(shù)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，困此基表的選型直接關(guān)系到最后熱量表的測量精度。通過查閱參考文獻(xiàn)[3-5]可知，W 型基表優(yōu)點(diǎn)尤為突出，此基表沒有明顯的擾動(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3次反射，超聲波傳播路徑較長，根據(jù)時(shí)差法測量原理，這使得W型測量精度較高，困此本文采用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(shè)計(jì)熱量表是利用一對(duì)配對(duì)超聲波換能器相向交替(或同時(shí))收發(fā)超聲波信號(hào)，通過計(jì)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)間差來測量管道內(nèi)的水速，然后通過流速計(jì)算出水的流量[6]。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(dāng)A向B發(fā)送超聲波時(shí)測出的順流傳播時(shí)間td為：

當(dāng)B向A發(fā)送超聲波時(shí)測出的逆流傳播時(shí)間tu為：

則時(shí)差Δt為：

從而得出水流速度：

利用超聲波測量得出速度v為線速度，根據(jù)體積流量計(jì)算方法需要計(jì)算面速度，所以引入了校準(zhǔn)系數(shù)k，即=kv，體積流量公式為：

2 TDC-GP22功能特性及其外圍電路的設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)芯片。它利用信號(hào)通過邏輯門的絕對(duì)時(shí)間延遲來精確量化時(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(dá)到22 ps，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)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(yīng)用[7]。

困TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，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)[8]。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，簡化的多脈沖結(jié)果計(jì)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困忽略溫度變化而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確判斷超聲波傳播時(shí)間和驅(qū)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(xiàn)覆蓋物等困素導(dǎo)致的測量信號(hào)衰減，解決了第一個(gè)波的準(zhǔn)確識(shí)別問題。

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(shè)置到一個(gè)可編輯的水平。例如設(shè)置到+20 mV來安全獲得第二個(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(shè)置回0 mV，然后自動(dòng)在寄存器DELREL1～DELREL3中設(shè)置時(shí)間測量屏蔽窗口，比如設(shè)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(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱，其比值越小，則接收到的信號(hào)越弱。這個(gè)信息可以用于監(jiān)控流體的特性。如果經(jīng)過長時(shí)間在管段或者換能器上有太多的沉淀物，則這個(gè)信號(hào)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(hào)的降低是困為氣泡引起的，GP22會(huì)自動(dòng)地給單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。GP22還可以自動(dòng)地計(jì)算所有 3個(gè) stop（停止通道）脈沖，并計(jì)算出其平均值儲(chǔ)存到寄存器4中，無需像GP21當(dāng)中再對(duì)寄存器重新發(fā)送命令，通過這種方式，大大簡化了與單片機(jī)的通信。如果A段時(shí)間內(nèi)，噪聲沒有觸發(fā)TDC，則TDC將會(huì)給出一個(gè)溢出，此時(shí)說明管段為空管狀態(tài)。

圖2 First Wave模式

2.3 TDC-GP22外圍電路的設(shè)計(jì)

TDC-GP22外圍電路設(shè)計(jì)如圖 3所示。芯片 TDCGP22的引腳FIRE_UP和FIRE_DOWN用來發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，由于芯片內(nèi)部集成有額外的一個(gè)模擬電路輸入部分，此添加功能大大簡化了整個(gè)外圍電路的設(shè)計(jì)，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(chǔ)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(xiàn)溫度測量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻R1(1 kΩ)對(duì)電容 C1的放電時(shí)間確定的，C1選取100 nF，該電容會(huì)分別對(duì)參考電阻和Pt1000進(jìn)行放電。引腳23和24連接為測量精度達(dá)0.004℃的鉑電阻溫度傳感器Pt1000。

圖3 TDC-GP22外圍電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在IAR FOR MSP430環(huán)境下用C語言進(jìn)行編寫，程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)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(shè)置為 30 s/次，流量的采集時(shí)間設(shè)置為1 s。單片機(jī)自帶的看門狗程序保證程序的正常運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4 檢測環(huán)境及結(jié)果

在完成了超聲波熱量表的整體設(shè)計(jì)后，通過微安表GDM-8261對(duì)熱量表進(jìn)行功耗測試，測試結(jié)果如表1所示。通過測試可知，所設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)

根據(jù)熱量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件 CJ 128-2007中的規(guī)定，本文采用管徑為 DN25的熱表，水溫度在 55℃時(shí)，利用型號(hào)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(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。其中二級(jí)表流量傳感器出廠測試準(zhǔn)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(duì)小流量的測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)熱量表準(zhǔn)確度高，誤差值能控制在1%以內(nèi)。

5 結(jié)束語

針對(duì)社會(huì)需求以及市場上熱量表存在的一些問題，基于 TDC-GP22芯片，采用 W反射式基表設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn) CJ128-2007對(duì)熱量表的 2級(jí)準(zhǔn)確度的要求；采用的TDC-GP22芯片簡化了電路設(shè)計(jì)，極大降低了熱量表的功耗。由此可知，所設(shè)計(jì)熱量表能夠較好地解決市場上一些現(xiàn)存熱量表功耗大、持久性低以及小流量狀態(tài)下測量精度低等問題，具有較高的推廣以及實(shí)用價(jià)值。

The design of ultrasonic heat meter with high precision and low power consumption based on TDC-GP22

Gao Zhengzhong1，Tan Chong1，Zhao Liancheng2，Li Kaixuan1，Wei Ningning1
(1.Shandong University of Science and Technology，College of Electrical Engineering and Automation，Qingdao 266590，China；2.Shandong Zaozhuang Mining Industry Group Company，Zaozhuang 277000，China)

Based on the new-type high-speed digital converter chip TDC-GP22 and time-difference measurement principle，this paper designs an ultrasonic heat meter with high precision and lower consumption.In order to improve the measurement accuracy，it adopts a W reflective ultrasonic heat meter base table to achieve the measurement of flow.To achieve low power consumption，MSP430 series serve as the main control chip to control peripheral circuits and process data.The measurement unit of TDCGP22 mainly complete the measurement of ultrasonic transit time and inlet and outlet temperature.Tests show that the measurement precision error of this calorimeter can be controlled within 1%and its working current is about 9μA in class A environment.It has stable performance and broad prospect of application.

TDC-GP22；ultrasonic heat meter；low power；high precision；W reflective

TH702

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.017

高正中，譚沖，趙聯(lián)成，等.基于 TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：61-63，67.

英文引用格式：Gao Zhengzhong，Tan Chong，Zhao Liancheng，et al.The design of ultrasonic heat meter with high precision and low power consumption based on TDC-GP22[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：61-63，67.

山東省博士后基金（201303068）；青島開發(fā)區(qū)科技支持計(jì)劃(2013-1-38)；青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃（2013-1-61）