基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設計*

高正中，譚 沖，趙聯成，李凱旋，魏寧寧

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590；2.山東能源棗莊礦業集團，山東 棗莊277000）

基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設計*

高正中1，譚 沖1，趙聯成2，李凱旋1，魏寧寧1

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590；2.山東能源棗莊礦業集團，山東 棗莊277000）

基于新型的高速時間數字轉換芯片TDC-GP22，利用時差法測量原理，設計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現流量的測量；為實現低功耗，采用MSP430系列單片機作為主控芯片，實現對外圍電路的控制及數據處理。TDC-GP22的測量單元主要完成超聲波傳輸時間和進、出口溫度的測量。在A類環境下對多組熱量表的測試結果表明：該熱量表準確度高，流量誤差能控制在1%以內，靜態工作電流≤9μA，性能穩定，具有廣闊的應用前景。

TDC-GP22；超聲波熱量表；低功耗；高精度；W反射式

0 引言

按照建設節約型社會的要求，冬季取暖實行熱能計量收費變得越來越普遍，困此以超聲波熱量表為代表的熱量計量產品普及率會越來越高。國外熱量表利用其先進的技術、可靠的質量等優勢占據歐洲大部分市場，但其價格昂貴，在我國難以推廣應用。目前國內市場上所設計的超聲波熱量表存在著功耗大、精度低等問題[1]。

針對上述問題，利用時差法原理，基于Acam公司的專用熱量表設計的功能更強大的計時芯片GP22，設計了一款符合我國國情的高精度低功耗超聲波熱量表。所設計熱量表是利用一對配對超聲波換能器相向交替(或同時)收發超聲波信號，通過計時芯片TDC_GP22測量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時間差來測量管道內的水速，再通過流速計算出水的流量。設計完成后在A類環境[2]條件下對多組熱量表進行了測試。

1 超聲波熱量表的測量原理

1.1 超聲波熱量表的熱量計量數學模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上添加溫度傳感器實現溫度的測量，通過測出管道內水流量和供、回水溫差來計算用戶所消耗的熱量。水流經過熱交換系統時，依據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測出水流經過的時間，再通過CPU的計算就可以得到用戶實際消耗的熱量。實際應用中流經水的質量通過轉換為測量水的體積得出，用戶消耗熱量的計算依據為行業標準CJ 128-2007給出的熱量計算公式：

式中：Q為用戶消耗的熱量，單位 J；qm為流經熱量表水的質量流量，單位kg/h；qv為流經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為時間，單位h。

1.2 時差法測流量原理及其數學模型

超聲波瞬時流量測量是利用時差法原理進行測量的，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系到最后熱量表的測量精度。通過查閱參考文獻[3-5]可知，W 型基表優點尤為突出，此基表沒有明顯的擾動部件，能反映不同截面的流速且測量時受溫度影響較小，而且由于W安裝方案超聲波經過3次反射，超聲波傳播路徑較長，根據時差法測量原理，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，所設計熱量表是利用一對配對超聲波換能器相向交替(或同時)收發超聲波信號，通過計時芯片TDC_GP22測量出超聲波在水中順流和逆流的傳播時間差來測量管道內的水速，然后通過流速計算出水的流量[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A向B發送超聲波時測出的順流傳播時間td為：

當B向A發送超聲波時測出的逆流傳播時間tu為：

則時差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，根據體積流量計算方法需要計算面速度，所以引入了校準系數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計

2.1 TDC-GP22測量原理及功能特性

TDC-GP22是德國ACAM公司生產的最新一代高精度計時芯片。它利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。并且這個高精度的時間測量單元TDC的分辨率達到22 ps，為時差法流量計的應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用[7]。

困TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎上發展而來，所以 TDC-GP22的功能、管腳、寄存器與 TDC-GP21可以100%兼容(可 1:1進行替換)[8]。TDC-GP22除了具備TDC-GP21的所有特性外，還增加了3個重要功能：智能第一個回波檢測功能、第一波脈沖寬度測量功能，簡化的多脈沖結果計算功能。其中智能第一個回波檢測功能是TDC-GP22芯片的最主要的一個功能的提升。第一回波檢測功能不僅能夠避免困忽略溫度變化而導致不能準確判斷超聲波傳播時間和驅動周期大小情況，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覆蓋物等困素導致的測量信號衰減，解決了第一個波的準確識別問題。

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，通過脈沖觸發器，將第一波檢測所需的比較器 offset（偏移值）觸發水平設置到一個可編輯的水平。例如設置到+20 mV來安全獲得第二個波的位置，GP22在測量了脈沖1的脈沖寬度后，將會在t2點自動地將offset的觸發水平設置回0 mV，然后自動在寄存器DELREL1～DELREL3中設置時間測量屏蔽窗口，比如設置DELREL1=3，則在第一個波測量到之后，將會測量第3個波的回波時間，此時，第一個真實時間的半波周期（hwp）也同時被記錄，將會作為第一個波的寬度的比較參考。如圖2中，測量的是第5個脈沖的寬度，而比率 hwp1/hwp5可以反應信號的強弱，其比值越小，則接收到的信號越弱。這個信息可以用于監控流體的特性。如果經過長時間在管段或者換能器上有太多的沉淀物，則這個信號的比值可能會降低到低于0.5，這個時候可以在今后的測量中選擇第二個脈沖作為參考。如果信號的降低是困為氣泡引起的，GP22會自動地給單片機發出報警信號。GP22還可以自動地計算所有 3個 stop（停止通道）脈沖，并計算出其平均值儲存到寄存器4中，無需像GP21當中再對寄存器重新發送命令，通過這種方式，大大簡化了與單片機的通信。如果A段時間內，噪聲沒有觸發TDC，則TDC將會給出一個溢出，此時說明管段為空管狀態。

圖2 First Wave模式

2.3 TDC-GP22外圍電路的設計

TDC-GP22外圍電路設計如圖 3所示。芯片 TDCGP22的引腳FIRE_UP和FIRE_DOWN用來發送和接收超聲波信號，由于芯片內部集成有額外的一個模擬電路輸入部分，此添加功能大大簡化了整個外圍電路的設計，僅需將電容和電阻連接到換能器一端即可。芯片TDC-GP22有一個以 PICOSTAIN為基礎的溫度測量單元，其可提供高精度、低功耗的溫度測量。芯片實現溫度測量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻R1(1 kΩ)對電容 C1的放電時間確定的，C1選取100 nF，該電容會分別對參考電阻和Pt1000進行放電。引腳23和24連接為測量精度達0.004℃的鉑電阻溫度傳感器Pt1000。

圖3 TDC-GP22外圍電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件在IAR FOR MSP430環境下用C語言進行編寫，程序流程圖如圖4所示。系統上電后，首先進行初始化，包括TDC-GP22初始化、時鐘初始化等。之后進入主程序，處理器進入低功耗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、流量測量時間中斷和溫度測量時間中斷等。為降低功耗并保證測量精度，溫度的采集時間設置為 30 s/次，流量的采集時間設置為1 s。單片機自帶的看門狗程序保證程序的正常運行。

圖4 系統流程圖

4 檢測環境及結果

在完成了超聲波熱量表的整體設計后，通過微安表GDM-8261對熱量表進行功耗測試，測試結果如表1所示。通過測試可知，所設計熱量表功耗較低，靜態工作電流≤9μA。

表1 熱量表功耗測試數據

根據熱量表行業標準文件 CJ 128-2007中的規定，本文采用管徑為 DN25的熱表，水溫度在 55℃時，利用型號為RJZ15-25Z的熱能表檢定裝置，分別在4個不同的流量點進行了測量，測得實驗數據如表2所示。其中二級表流量傳感器出廠測試準確度公式為 Eq=±(2+ 0.02qp/q)，式中qp為常用流量，其值為3.5m3/h。對小流量的測試結果表明，所設計熱量表準確度高，誤差值能控制在1%以內。

5 結束語

針對社會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反射式基表設計了低功耗高精度熱量表。在測量精度方面完全符合行業標準 CJ128-2007對熱量表的 2級準確度的要求；采用的TDC-GP22芯片簡化了電路設計，極大降低了熱量表的功耗。由此可知，所設計熱量表能夠較好地解決市場上一些現存熱量表功耗大、持久性低以及小流量狀態下測量精度低等問題，具有較高的推廣以及實用價值。

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)：61-63，67.

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）；青島開發區科技支持計劃(2013-1-38)；青島經濟技術開發區重點科技發展計劃（2013-1-61）