文獻標識碼： 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.
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，因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，因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，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。
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：
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]。
因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因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因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。如果信號的降低是因為氣泡引起的，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。
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TDC-GP22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。
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。
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≤9 μA。
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3.5 m3/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。
參考文獻
[1] 費戰波，董意德.供熱分戶計量系統解決方案[J].建設科技，2014(9)：120-121.
[2] 張賢雨，王波，王彥.影響超聲波熱量表流量測量單元靜態時間差因素的探討[J].自動化與儀器儀表，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，宋財華.時差法超聲波熱量表測量流量的修正算法[J].現代制造工程，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用[J].儀表技術與傳感器，2012(2)：37-39.
[7] 王波，王彥，張賢雨.介質溫度變化對超聲波熱量表流量測量準確度的影響[J].自動化與儀器儀表，2014(3)：49-50.
[8] 高小明，彭勇，楊程.基于GP22設計低功耗控溫熱能儀表[J].化工自動化及儀表，2014，41(3)：285-289.