《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
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
摘要： 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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量單元主要完成超聲波傳輸時(shí)間和進(jìn)、出口溫度的測(cè)量,。在A類(lèi)環(huán)境下對(duì)多組熱量表的測(cè)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≤9 μA,，性能穩(wěn)定,，具有廣闊的應(yīng)用前景。
中圖分類(lèi)號(hào)： TH702
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.017
中文引用格式： 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.
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
Abstract： 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 TDC-GP22 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 9?滋A in class A environment. It has stable performance and broad prospect of application.
Key words : TDC-GP22,；ultrasonic heat meter,；low power；high precision,；W reflective

    

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：

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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(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,。

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

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

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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),。

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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,。

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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。

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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。

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    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+0.02qp/q),，式中qp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%以內(nèi)。

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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,。

參考文獻(xiàn)

[1] 費(fèi)戰(zhàn)波,，董意德.供熱分戶計(jì)量系統(tǒng)解決方案[J].建設(shè)科技,，2014(9)：120-121.

[2] 張賢雨，王波,，王彥.影響超聲波熱量表流量測(cè)量單元靜態(tài)時(shí)間差因素的探討[J].自動(dòng)化與儀器儀表,，2014(3)：58-59.

[3] WU Y L，ZHAO J,，HUANG Y N,，et al.Development of a high precision time-difference ultrasonic heat meter based on TDC-GP21[J].Applied Mechanics and Materials，2014,，441：347-350.

[4] SHUO S H I，LIU Z,，SUN J,，et al.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.

[5] 王賢妮，孫麗華,，宋財(cái)華.時(shí)差法超聲波熱量表測(cè)量流量的修正算法[J].現(xiàn)代制造工程,，2013(6)：101-104.

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

[7] 王波,，王彥,，張賢雨.介質(zhì)溫度變化對(duì)超聲波熱量表流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014(3)：49-50.

[8] 高小明,，彭勇,，楊程.基于GP22設(shè)計(jì)低功耗控溫?zé)崮軆x表[J].化工自動(dòng)化及儀表，2014,，41(3)：285-289.

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