超聲波熱量表芯片UTA6905的相差法流量測量原理

　　1.概述

　　近年來我國提出建筑節(jié)能計劃，逐步實現(xiàn)分戶計量收費制度。供熱計量正在逐漸成為技術(shù)研究的熱點，戶用超聲波熱表以低功耗、高精度越來越受關(guān)注。超聲流量計量實現(xiàn)了非接觸式高精度測量，因此有量程寬、無壓損、組成簡單、靈敏度高的優(yōu)點。目前的主要的超聲流量計量技術(shù)是時差法和相差法。時差法超聲流量計就是根據(jù)介質(zhì)的流速與時差存在線性關(guān)系原理進行測量的，只要準(zhǔn)確測定順逆流時間，根據(jù)流速與其線性關(guān)系，可以求出瞬時流速，進而可以求出瞬時流量。而相差法則是通過某種技術(shù)手段，得到順逆流回波信號的相位差信息，推算出超聲波順逆流的傳播時差。2014年8月，北京美科芯科技有限公司聯(lián)合美國ICCI公司共同發(fā)布了業(yè)界首款基于相差法的智能超聲波熱量表專用芯片UTA6905，本文主要介紹UTA6905芯片的相差法超聲流量計量原理。

　　2.相差法超聲流量計量原理相差法

　　超聲波熱量表測量系統(tǒng)利用超聲波相差法測量當(dāng)前管道中的流量值，同時利用溫度傳感器測量入口水溫和出口水溫，通過熱量計算就可得出當(dāng)前住宅所使用的熱量。UTA6905芯片利用相差法完成對管道中流量的測量，是通過測量超聲波在順流和逆流傳播產(chǎn)生的相移之差。超聲波流量測量原理如圖1所示。

　　圖1：超聲波流量測量原理

　　圖1中流量管道直徑為D，兩個換能器之間的水平距離為L，超聲波在水中的傳輸速度為c，管道中流體速度為v，可以得到超聲波在順流中的渡越時間t1和逆流傳播過程中的渡越時間t2分別為：

　　3.UTA6905熱量計量原理

　　UTA6905芯片中的相差測量單元利用相差法超聲波流量計量技術(shù)測量出管道中水的流量，同時溫度測量單元測出進口水溫和出口水溫，然后就可以根據(jù)公式計算出住宅使用的熱量。

　　3.1 UTA6905相位差測量單元

　　UTA6905芯片利用順流方向和逆流方向回波信號的相位差來實現(xiàn)流速的測量，在實際應(yīng)用中，順逆流相差不會超過1個1MHz的周期，相差法流量計量單元的電路原理圖如圖2所示：

　　圖2:UTA6905相差法流量計量單元電路原理圖

　　順逆流的測量是先后進行的，因此不能直接得到兩組回波的相位差，UTA6905分別測量順逆流回波信號相對于同一個內(nèi)部參考信號的相位差，由外部MCU讀取兩個值并計算順逆流的相位差，圖3所示為UTA6905相差法流量測量原理。

　　圖3:UTA6905芯片相差法原理

　　內(nèi)部參考信號為1MHz，占空比75%的方波，與FIRE脈沖同步。

　　回波信號經(jīng)過比較器整形為方波，該比較器為斬波比較器，每次測量前都會自動校準(zhǔn)，保證OFFSET在1mV范圍內(nèi)。

　　回波信號和內(nèi)部參考信號進入鑒相器，輸出相位差脈沖，相位差是回波的上升沿到參考信號的下降沿之間的時間，如果回波信號上升沿超前于參考信號下降沿（落在參考信號高電平區(qū)間），則相位差為正值，否則（落在參考信號低電平期間）為負值，UTA6905測得的相位差脈沖的寬度范圍為 （-250ns，750ns）。

　　對相位差脈寬的測量是通過高分辨率的TDC（單精度64ps，雙精度32ps）進行的，TDC可以連續(xù)測量多達31個相位差脈沖的寬度，ALU對這些寬度的值進行累加積分，進行校準(zhǔn)并將結(jié)果存放在寄存器RES0中，此時RES0是一個有符號數(shù)，可以指示出回波脈沖是超前還是滯后于參考信號。

　　一次順流和逆流相位差測量完成后，外部MCU讀出兩次相差值，通過計算得到順流和逆流的時間差。

　　3.2溫度測量單元

　　針對于熱量計領(lǐng)域，設(shè)計了一基于TDC技術(shù)的高精度低功耗溫度測量單元，該單元是通過溫度傳感器電阻或精密電阻對電容充放電，TDC通過測量放電時間的方式來實現(xiàn)溫度測量。

　　圖4：溫度測量原理示意圖

　　如圖4所示，溫度測量單元支持PT1-PT4四個測量端口。

　　在溫度測量應(yīng)用中，當(dāng)測量電阻進行充放電時，如果使用外部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP設(shè)置為0，如果使用內(nèi)部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP寄存器設(shè)置為1，兩種情況分別對應(yīng)的電路連接如圖5所示。

　　圖5：溫度測量原理示意圖

　　溫度傳感器的最小阻值為500Ω。UTA6905測量出由每個電阻和電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)的放電時間。溫度測量的精度為0.002°C。

　　微控制器發(fā)送代碼“START_TEMP”啟動溫度測量，UTA6905自動控制溫度測量，測量完成之后中斷標(biāo)志置位，測量數(shù)據(jù)被存儲在RES0～RES3 中。

　　從Res_1/RES_0和RES_2/RES_3中微控制器可以計算出Rtemp/Rref的比值。通過查表，可以計算出當(dāng)前的傳感器的溫度，注意UTA6905不支持4線的溫度傳感器。

　　4. 總結(jié)

　　本文主要介紹了UTA6905芯片的相差法流量計量原理，由于存在相位差累加積分，相差法對于偶然誤差和干擾誤差的消除具有較強的優(yōu)勢，特別是在流量測量過程中，相差法提供的數(shù)據(jù)是進行濾波算法之后的平均值，波動性更小，更接近真實流量，提高了測量精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。