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(lái)越普遍，因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(lái)越高。國(guó)外熱量表利用其先進(jìn)的技術(shù)、可靠的質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)占據(jù)歐洲大部分市場(chǎng)，但其價(jià)格昂貴，在我國(guó)難以推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表存在著功耗大、精度低等問(wèn)題^[1]。

    針對(duì)上述問(wèn)題，利用時(shí)差法原理，基于Acam公司的專(zhuān)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(guó)國(guó)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(guò)計(jì)時(shí)芯片TDC_GP22測(cè)量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量管道內(nèi)的水速，再通過(guò)流速計(jì)算出水的流量。設(shè)計(jì)完成后在A類(lèi)環(huán)境^[2]條件下對(duì)多組熱量表進(jìn)行了測(cè)試。

1 超聲波熱量表的測(cè)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(cè)量，通過(guò)測(cè)出管道內(nèi)水流量和供、回水溫差來(lái)計(jì)算用戶所消耗的熱量。水流經(jīng)過(guò)熱交換系統(tǒng)時(shí)，依據(jù)流量傳感器測(cè)出的流量和溫度傳感器測(cè)出的供水溫度、回水溫度，以及TDC-GP22測(cè)出水流經(jīng)過(guò)的時(shí)間，再通過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)換為測(cè)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；q_m為流經(jīng)熱量表水的質(zhì)量流量，單位kg/h；q_v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(cè)流量原理及其數(shù)學(xué)模型

    超聲波瞬時(shí)流量測(cè)量是利用時(shí)差法原理進(jìn)行測(cè)量的，而基表的選型不同其測(cè)量精度也不同，因此基表的選型直接關(guān)系到最后熱量表的測(cè)量精度。通過(guò)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(méi)有明顯的擾動(dòng)部件，能反映不同截面的流速且測(cè)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(guò)3次反射，超聲波傳播路徑較長(zhǎng)，根據(jù)時(shí)差法測(cè)量原理，這使得W型測(cè)量精度較高，因此本文采用W反射式超聲波熱量表基表。

    超聲波熱量表測(cè)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(guò)計(jì)時(shí)芯片TDC_GP22測(cè)量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量管道內(nèi)的水速，然后通過(guò)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。

    當(dāng)A向B發(fā)送超聲波時(shí)測(cè)出的順流傳播時(shí)間t_d為：

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

2 TDC-GP22功能特性及其外圍電路的設(shè)計(jì)

2.1 TDC-GP22測(cè)量原理及功能特性

    TDC-GP22是德國(guó)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(guò)邏輯門(mén)的絕對(duì)時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔。并且這個(gè)高精度的時(shí)間測(cè)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(cè)量保障。由于該芯片具有智能第一波檢測(cè)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]。

    因TDC-GP22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(cè)功能、第一波脈沖寬度測(cè)量功能，簡(jiǎn)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(cè)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(cè)功能不僅能夠避免因忽略溫度變化而導(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(cè)量換能器及測(cè)量反射鏡面上或者測(cè)量殼體上出現(xiàn)覆蓋物等因素導(dǎo)致的測(cè)量信號(hào)衰減，解決了第一個(gè)波的準(zhǔn)確識(shí)別問(wèn)題。

2.2 TDC-GP22的第一波檢測(cè)功能測(cè)量流程

    TDC-GP22的第一波檢測(cè)功能測(cè)量流程如圖2所示，通過(guò)脈沖觸發(fā)器，將第一波檢測(cè)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(lái)安全獲得第二個(gè)波的位置，GP22在測(cè)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(cè)量屏蔽窗口，比如設(shè)置DELREL1=3，則在第一個(gè)波測(cè)量到之后，將會(huì)測(cè)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(cè)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(guò)長(zhǎng)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(cè)量中選擇第二個(gè)脈沖作為參考。如果信號(hào)的降低是因?yàn)闅馀菀鸬?，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(wú)需像GP21當(dāng)中再對(duì)寄存器重新發(fā)送命令，通過(guò)這種方式，大大簡(jiǎn)化了與單片機(jī)的通信。如果A段時(shí)間內(nèi)，噪聲沒(méi)有觸發(fā)TDC，則TDC將會(huì)給出一個(gè)溢出，此時(shí)說(shuō)明管段為空管狀態(tài)。

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TDC-GP22的引腳FIRE_UP和FIRE_DOWN用來(lái)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(jiǎn)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(cè)量單元，其可提供高精度、低功耗的溫度測(cè)量。芯片實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)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(cè)量精度達(dá)0.004 ℃的鉑電阻溫度傳感器Pt1000。

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(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，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(cè)量時(shí)間中斷和溫度測(cè)量時(shí)間中斷等。為降低功耗并保證測(cè)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(mén)狗程序保證程序的正常運(yùn)行。

4 檢測(cè)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(guò)微安表GDM-8261對(duì)熱量表進(jìn)行功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過(guò)測(cè)試可知，所設(shè)計(jì)熱量表功耗較低，靜態(tài)工作電流≤9 μA。

    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(cè)量，測(cè)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(cè)試準(zhǔn)確度公式為Eq=±(2+0.02q_p/q)，式中q_p為常用流量，其值為3.5 m³/h。對(duì)小流量的測(cè)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?xún)?nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

    針對(duì)社會(huì)需求以及市場(chǎng)上熱量表存在的一些問(wèn)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(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(cè)量精度低等問(wèn)題，具有較高的推廣以及實(shí)用價(jià)值。

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