基于TDC-GP22的高精度超聲波熱量表設計

郭鄭文，劉建明，唐　霞

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林　541004；2.桂林電子科技大學計 計算機與信息安全學院，廣西 桂林　541004)

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基于TDC-GP22的高精度超聲波熱量表設計

郭鄭文1，劉建明2，唐霞1

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林541004；2.桂林電子科技大學計 計算機與信息安全學院，廣西 桂林541004)

針對熱量表精度低的問題，設計了一種高精度超聲波熱量表。基于V型反射時差法測流量原理，選用高精度時間測量芯片TDC-GP22、低功耗MSP43-F149單片機、Pt1000溫度傳感器和超聲波換能器，實現(xiàn)流量和溫度的高精度測量。利用TDC-GP22第一波檢測技術對測量精度進行優(yōu)化，根據(jù)溫度變化調(diào)整參數(shù)取值，進一步降低誤差，提高系統(tǒng)測量精度。實驗結(jié)果表明，該熱量表測量精度高，穩(wěn)定性好，達到了2級表的行業(yè)標準。

超聲波熱量表；TDC-GP22；第一波撿測；高精度

我國北方寒冷地區(qū)冬天都集中供暖，采用集中供暖方式不僅易于管理還可以節(jié)約資源，減小空氣污染，降低成本。但絕大多數(shù)仍以供暖面積和使用時間作為收費依據(jù)，這使得用戶對供暖能源節(jié)約意識淡漠，導致不必要的資源浪費，而且對于經(jīng)常外出不在家的用戶來說，花錢卻沒有享受到服務，相對來說不公平。近幾年，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境保護引起了高度重視，能源的利用更是大力倡導節(jié)能。因此，國家提出要加快城鎮(zhèn)供熱體制改革，由現(xiàn)行按面積、按季度收取供暖費用逐步改為按戶消耗熱量的供暖收費方式，增強居民的節(jié)能意識。國外一些國家的經(jīng)驗表明，采用熱量收費方式大約可節(jié)省20%～34%的能源，因此熱量表技術的應用得到了廣泛的關注，全面施行以熱量計量收費代替面積計量收費的方式勢在必行[1]。熱量計量收費的關鍵是準確計量用戶消耗的熱量。目前，機械式熱量表存在易磨損、壽命短等缺點，隨著超聲波測量技術的應用得到了改善。超聲波熱量表是一種非接觸式熱量表，其工作原理為超聲波在流動的介質(zhì)中傳播時，便載上了流體的流速信息，通過測量超聲波在流體中的傳播時間測出流體的速度，進而換算出流量，結(jié)合進出口處溫度差值，得到熱量值。但超聲波熱量表仍存在精度低、穩(wěn)定性差等問題[2]。為此，提出一種基于TDC-GP22第一波檢測的高精度熱量表方案，設計并實現(xiàn)高精度超聲波熱量表。

1　超聲波熱量表測量原理

熱量表是對熱交換值進行計量的儀表，在熱交換系統(tǒng)中通過測量流經(jīng)測試管段載熱介質(zhì)的溫度變化以及流量，計算出熱交換器的熱量交換值。設計的超聲波熱量表包括流量傳感器、溫度傳感器和積算儀功能器件。熱量表測量原理示意圖如圖1所示。熱介質(zhì)流過熱交換器，通過流量傳感器測量其瞬時流量，配置在熱交換器出入口處的溫度傳感器測量其溫度值，同時將2個測量值送入積算儀進行積分運算，獲得熱交換器的熱量值。積算儀由數(shù)字微處理器完成測量數(shù)據(jù)的讀取和相關的計量運算。

圖1　熱量表測量原理示意圖Fig.1　Schematic diagram of heat meter measuring principle

1.1熱量計算方法

熱量計算方法主要有K系數(shù)法、焓差法。K系數(shù)法是一種計算簡單、存儲冗余的傳統(tǒng)計算方法，在以往嵌入計算能力有限時這種方法較為流行，且沿用至今。焓差法作為主流熱量計算方法，運算量比K系數(shù)法大，但現(xiàn)在的微處理器可滿足其計算需求。焓差法適用于高集成、高處理速度的儀表設計[3]，因此，采用焓差法進行熱量計算。

根據(jù)熱力學理論，熱交換系統(tǒng)釋放(或接收)的焓差法熱量計算表達式為[4]：

(1)

其中：Q為交換熱量；qν為瞬時流量；Δh為焓值差；ρ為載熱水密度；t為熱交換時間。為了避免復雜的積分運算，在單片機中一般周期性測量瞬時熱功率[5]，通過常積分計算周期熱量值，最終累積得到熱量值的總交換量，

(2)

為簡化計算，引入熱焓hθ=Cθθ?？梢愿鶕?jù)采集的溫度值，查表得到式(2)的密度值和熱焓值，采用線性插值的方法得到精確的數(shù)值。

1.2V型反射時差法測流量原理

超聲波測量液體流量包括時差法、頻差法、多普勒平移法、相差法等，其中，時差法應用最為廣泛[6]。時差法將超聲波換能器以一定方式固定在管道外，方式包括V型反射法、Z型透過法、U型平行法。為了增加超聲波在水流中的行程，使用V型反射法安裝換能器，利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發(fā)超聲波，通過TCP-GP22測量超聲波在水中順流和逆流的傳播時間差得到水流速度，然后由水流速度計算管體橫截面的瞬時流量。超聲波傳播示意圖如圖2所示。

圖2　超聲波傳播示意圖Fig.2　Schematic diagram of ultrasonic propagation

通過配置TDC-GP22芯片驅(qū)動上游的換能器發(fā)射超聲波，超聲波在水流中傳播，經(jīng)過一次管道壁反射后被下游換能器接收，接收換能器將收到的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波發(fā)射時刻記為Start信號，接收時刻記為Stop信號。測量時間分為2個部分，即整數(shù)周期部分和非整數(shù)周期部分。通過計數(shù)器計算整數(shù)周期個數(shù)，利用TDC-GP22內(nèi)部集成的邏輯門隊列，高精度測量非整數(shù)周期的時間Tfc1和Tfc2(如圖3所示)，從而獲得精確時間Tup：

(3)

其中：Tref為參考周期；nc為整數(shù)周期個數(shù)；Tfc1+Tfc2為非整數(shù)周期；Tc2-Tc1為校準參考周期。

圖3　超聲波發(fā)射接收時間的捕獲Fig.3　Acquisition of ultrasonic transmitting time and receiving time

根據(jù)物理傳播原理，時間間隔可表示為：

(4)

其中：D為測試管段的內(nèi)徑；φ為換能器超聲波發(fā)射方向與管線方向夾角；vc為超聲波在水中的傳播速度；vw為水流速度；τ為信號時延。同理，GP22驅(qū)動下游換能器發(fā)射波形時，Tdown同樣被TDC-GP22芯片捕獲并精確測量，在物理傳播回路上表示為：

(5)

所以，由水流而導致的順流、逆流時間差可表示為：

(6)

其中L為換能器在管線方向的間距。流經(jīng)測試管段的瞬時流量qv為：

(7)

其中k為修正系數(shù)。由式(7)可知，若已知vc、D和L，只要測量逆流和順流傳播時間差Δt，就可以求出水流速度，從而得到管道的瞬時流量。

1.3TDC-GP22溫度測量原理

基于TDC-GP22測量電容對目標電阻的放電時間，進而換算得到溫度值，以滿足高精度測量要求。測量期間電容分別對目標電阻和參考電阻放電，目標電阻Rtemp采用鉑電阻Pt1000，將目標電阻的放電時間保存到寄存器res2中，將參考電阻的放電時間保存到寄存器res1中。目標電阻Rtemp的測量公式為[7]：

(8)

其中：Rref為參考電阻，阻值為1 kΩ；tres1為寄存器res1保存的參考電阻的放電時間；tres2為寄存器res2保存的目標電阻的放電時間。溫度為0～850 ℃時，鉑電阻的溫度曲線函數(shù)為：

(9)

其中：Rθ為溫度在θ時的鉑電阻阻值；R0為0 ℃時的鉑電阻阻值；A、B為系數(shù)，A=3.908×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-1。

2　基于TDC-GP22的熱量表硬件設計

2.1TDC-GP22外圍硬件電路設計

控制芯片選用TI公司16位超低功耗微處理器MSP430F149單片機，其優(yōu)良的性能和高性價比適用以紐扣電池供電的低功耗計量儀表；測量芯片選用德國ACAM公司最新推出的超聲波流量計、熱量表的專用芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片提供最新的第一波檢測功能，設置閾值可鎖定“第一波”位置，以滿足高動態(tài)流量環(huán)境的超聲波測量[8]。所設計的熱量表測量模塊如圖4所示。

圖4　熱量表測量模塊Fig.4　Measurement module of heat meter

測量模塊由MSP430F149和TDC-GP22組成。MSP430F149單片機輸出32.768 kHz時鐘信號供TDC-GP22使用，并通過SPI接口與其通信。TDC-GP22使用測量范圍2，最大時間間隔測量范圍為4 ms。單片機首先發(fā)送啟動操作碼開始數(shù)據(jù)測量，TDC-GP22內(nèi)部脈沖發(fā)生器在FIRE_UP引腳產(chǎn)生脈沖激勵并觸發(fā)Start信號，脈沖激勵驅(qū)動接在SPK的1、2引腳的上游換能器。上游換能器受激勵產(chǎn)生超聲波，經(jīng)水流和管壁反射傳到下游的換能器。SPK的3、4引腳的下游換能器受到超聲波感應產(chǎn)生震蕩回波，STOP2引腳接收回波信號，從而形成信號傳播回路。與此同時，Start信號啟動測量，回波進入STOP2引腳經(jīng)前置模擬選通電路以及比較器后產(chǎn)生標準STOP截止脈沖，被芯片STOP1引腳識別。通過對測量得到的時間進行計算，完成熱量的計量。

所設計的硬件電路通過TDC-GP22的Stop選通電路，同時接收STOP1、STOP2回波信號并比較處理，產(chǎn)生標準STOP脈沖，大大簡化了系統(tǒng)的外圍設計，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

2.2TDC-GP22第一波檢測技術

高動態(tài)強流量環(huán)境下，傳統(tǒng)確定回波起始位置的方法是根據(jù)實際飛行時間對一定時域進行屏蔽。TDC-GP22擁有3個屏蔽窗口，通過邏輯“與”和3個外部使能引腳相連，達到屏蔽或關斷Hit捕獲的目的。屏蔽窗口可屏蔽STOP1通道上3次Hit捕獲中的任何一次。由于強流量環(huán)境下，很可能出現(xiàn)飛行時間差值大于1個周期的情況，傳統(tǒng)的處理方法會造成整個周期的丟失。如圖5所示，前3個被使能窗口屏蔽，因此，第4個峰值上升過零點識別為STOP脈沖，而在強流環(huán)境下(逆流)，由于飛行時間相比靜止的屏蔽窗口滯后，使原被屏蔽的第3個峰值上升過零點移出屏蔽窗口，從而被誤判為STOP脈沖。

圖5　第一波檢測示意圖Fig.5　The sketch map of the first wave detection

針對高動態(tài)強流量環(huán)境下干擾信號對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響的問題，用TDC-GP22第一波檢測技術去除干擾，實現(xiàn)高精度測量。與使能窗口屏蔽方法不同的是，第一波檢測技術在僅保留一個屏蔽窗口前提下設置閾值偏移Offset，識別回波信號的第一個波[9]。由于在回波信號中，前半部的波形是幅值遞增的，而強流量移出屏蔽窗口的波形因低于Offset(圖5虛線所示)，使得通過Offset檢測的第一波位置不變，避免了強流量環(huán)境下的誤觸發(fā)。識別第一波位置后，再配置TDC-GP22相關寄存器，可指定第一波之后的第幾個波作為STOP1通道的Hit脈沖觸發(fā)，增強測量的靈活性。此外，第一波還具有信號強度檢測功能，對于弱信號的反饋由老化或水質(zhì)引起的回波衰減作出修正，達到較高的測量精度。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件在IAR FOR MSP430環(huán)境下用C語言編寫。軟件設計分為功能模塊、系統(tǒng)異常檢測模塊。功能模塊對系統(tǒng)進行初始化并配置引腳與芯片功能，定時測量瞬時流量值和出入口溫度差，對數(shù)據(jù)進行計算并存儲，當系統(tǒng)檢測到按鍵或紅外信號時顯示相關數(shù)據(jù)，而空閑時系統(tǒng)進入LM3低功耗模式。系統(tǒng)異常檢測模塊負責對系統(tǒng)的異常采取相應的報警、重啟或自鎖等措施。軟件流程如圖6所示。

圖6　軟件流程Fig.6　Flow chart of software

系統(tǒng)上電后，單片機對系統(tǒng)時鐘、引腳功能、模塊外圍等進行一系列的初始化，檢測各傳感器的連接情況，如有異常則進入異常處理模塊；開啟時鐘每隔1 s啟動測量并更新瞬時流量；每隔30 s開啟測量并更新出入口的溫度差；每隔1 s通過瞬時流量和出入口溫差求出熱功率以及上一周期的累積熱量值；同時，中斷檢測是否有按鍵按下或紅外接收，若有，則開啟LCD顯示10 s，沒有以上事件系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

4　測量結(jié)果與分析

4.1溫度測量結(jié)果與分析

溫度測量選用精密數(shù)字溫度儀SPI1602A，其測量精度為+0.01 ℃，測量結(jié)果按真實值處理；解熱設備選用恒溫槽HWC-R-L。實際溫度測量與真實值對比如表1所示。

表1　測量溫度與真實值對比

從表1可看出，溫度測量誤差穩(wěn)定，約為±0.03%。由于溫度誤差主要來源為電阻、電容型號選取，選取高質(zhì)量的電阻、電容是減小誤差的主要手段?；谀繕穗娮鑼﹄娙莘烹姇r間測量，采用精度達0.004 ℃的COG系列電容[3]和Pt1000電阻，且設計中PT1000使用二線制接法，能消除接線長短相異造成的線阻誤差。因此，所設計的熱量表系統(tǒng)降低了測量誤差，實現(xiàn)了高精度溫度測量。

4.2流量測量結(jié)果與分析

流量測量在熱量表測試裝置RJZ15-25Z上進行，水管口徑為DN32。按照行業(yè)標準CJ 128-2007要求選取測量流量點，并觀察實測值和標準值，修正系統(tǒng)的系數(shù)k[10]。選取了4個流量點，流量測量值與真實值對比如表2所示。

從表2可看出，所設計的熱量表測量相對誤差小于±0.5%，數(shù)據(jù)重復誤差得到較大改善，穩(wěn)定性明顯提高。由于流量測量精度的2個主要指標為超聲波在水中飛行時間與超聲波在水中傳播速度，選用時間測量芯片TDC-GP22，自動計算3次時間差，并利用第一波檢測技術在零流量狀態(tài)下進行偽示值校正，以提高系統(tǒng)飛行時間測量精度。由于超聲波的傳播速度隨溫度而變化，超聲波的速度差最大可相差150 m/s[10]，導致產(chǎn)生10%的誤差。為此，將熱量表的溫度范圍分為10個區(qū)間，分別測量超聲波速度，進一步降低測量誤差。溫度、速度測量值如表3所示。

表2　流量測量值與真實值對比

表3　溫度、速度測量值

在特定溫度區(qū)間用相應的速度值進行計算，從而使得1%以下的誤差在式(7)計算后幾乎可忽略不計。

5　結(jié)束語

設計并實現(xiàn)了一種優(yōu)化的超聲波熱能表，利用TDC-GP22時間測量芯片的第一波檢測技術，通過設置屏蔽窗口中的閾值偏移，獲取第一波的準確位置，提高了超聲波熱能表的測量精度。實驗結(jié)果表明，第一波檢測技術提高了超聲波時間差測量的穩(wěn)定性、精度和復雜環(huán)境適應性，提高了系統(tǒng)集成度與抗干擾能力，所設計的熱能表系統(tǒng)達到了國家2級表的行業(yè)標準，且已投入生產(chǎn)，具備較強穩(wěn)定性。

[1]李世光，劉超，白星振，等.基于TDC-GP22的超聲波熱量表設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015(8):83-86.

[2]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計[J].電子技術應用，2015,41(7):61-63.

[3]甄蘭蘭，沈昱明.熱量表的熱量計量原理及計算[J].自動化儀表，2003,24(10):41-44.

[4]城市建設研究院.熱量表CJ 128-2007[S].北京：中國標準出版社，2007:3.

[5]鞠文濤.超聲波熱量表的設計與研發(fā)[D].杭州：浙江大學，2008(5):8-12.

[6]孟華，閆菲，李明偉.新型時差法超聲波流量計[J].儀表技術與傳感器，2007(8):18-19.

[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.

[8]梅彥平，張明君，王延平，等.TDC-GP21在超聲波熱量表中的應用[J].儀表技術與傳感器，2012(2):37-39.

[9]朱登科.TDC-GP21完美適合超聲波熱量表的解決方案[J].供熱制冷，2011(8):32-33.

[10]岑敏銳.超聲波在液體中的傳播速度與溫度的關系[J].物理實驗，2008,28(5):39-41.

編輯：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

國家自然科學基金(61262074,61562015)；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃(GDYCSZ01481)

劉建明(1975-)，男，廣西桂林人，教授，博士，研究方向為計算機及通信網(wǎng)絡組網(wǎng)工程。E-mail:224886689@qq.com

TH81

A

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

引文格式：郭鄭文，劉建明，唐霞.基于TDC-GP22的高精度超聲波熱量表設計[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(4):299-304.