超聲波熱量表設(shè)計方案　

作者 孫大鵬 利爾達科技集團股份有限公司

摘要：開發(fā)一款基于超聲波傳感器和高精度鉑電阻溫度傳感器的超聲波熱量表，采用高精度的計時芯片實現(xiàn)對流速、流量和熱量的高精度測量，M-Bus儀表總線的高效可靠數(shù)據(jù)傳輸，并充分挖掘MSP430F4481處理器芯片的功耗和計算速度優(yōu)勢和TDC-GP21芯片的高精度計量優(yōu)勢，所研制的熱量表具有成本低、測量精度高、功耗超低的特點。檢測結(jié)果符合《熱量表》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2級表要求，內(nèi)置電池使用壽命超過10年。這幾項指標(biāo)在國內(nèi)同行業(yè)產(chǎn)品中有很大優(yōu)勢。

0 引言

　　本課題從對超聲波熱量測量原理的理論研究出發(fā)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用超聲波流量測量技術(shù)和熱量測量技術(shù)研制開發(fā)一種熱量表，給出系統(tǒng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。研究內(nèi)容包括熱量表的測量原理、超聲波換能器工作機理、樣機的開發(fā)、檢測、檢定的研究。

1 總體方案設(shè)計及功能分析

　　本方案設(shè)計的超聲波熱量表是一種整體式的熱量表。將低功耗單片機技術(shù)、數(shù)字化溫度流量測量技術(shù)、超聲波流量測量技術(shù)以及遠(yuǎn)程集中抄表技術(shù)進行了有效的結(jié)合。

　　本設(shè)計的超聲波熱量表主要由TDC-GP21設(shè)計的溫度流量測量儀、MSP430F4481設(shè)計的積算儀及相關(guān)外圍電路、TSS721A設(shè)計的M-BUS總線系統(tǒng)三部分組成。圖1為應(yīng)用TDC-GP21測量的超聲波熱量表方案的原理框圖。

　　相對其他測量芯片來說，TDC-GP21的價格優(yōu)勢非常適合低成本的超聲波熱能表設(shè)計。TDC-GP21優(yōu)異的性能(包括高精度的時間測量、準(zhǔn)確的時鐘校準(zhǔn)、自動化的測量方式和低功耗的測量方案)，只要再加上一個簡單的微處理器，以及很少的外部電路就可以構(gòu)成一套完整的超聲波熱量表方案，大大減少了成本。

2 GP21溫度流量測量

　　TDC-GP21提供了對于TDC-GP2的管腳完全兼容的功能，以及一些提升的特性和額外擴展的功能。如圖2所示，其內(nèi)部集成了時鐘電路、溫度測量單元、脈沖發(fā)生器、TDC測量電壓和一個簡單地運算單元ALU，以及模擬元器件比較器。內(nèi)部集成的模擬開關(guān)將會使外圍電路的設(shè)計大大簡化。同時，測量的質(zhì)量也會被提高，測量的功耗將會被降低。

　　為了測量進水口和出水口之間流體的溫度差異，TDC-GP21應(yīng)用了其內(nèi)部集成的PICOSTRAIN測量方式，提供了高精度和低功耗的溫度測量方案。由于溫度傳感器的電阻值與溫度有存在一定的關(guān)系，芯片將會通過直接測量溫度傳感器RTD的電阻變化量而得到對應(yīng)的溫度值，該過程是通過內(nèi)部非常精確的時間測量完成的。測量時，傳感器測量電阻和參考溫度穩(wěn)定電阻將會分別對于同一個電容進行充放電，那么放電的時間將會通過內(nèi)部的高精度的ps級別時間分辨率的TDC測量單元測量下來。圖3中顯示了一個GP21溫度測量的原理和一個典型充放電曲線。

　　只需要通過單片機向GP21傳送相對應(yīng)的操作代碼，GP21的溫度測量就會自動高效完成。通過傳送操作代碼“Start_Temp”，TDC-GP21將會進行單次溫度的快速測量，而通過傳送操作代碼“Start_Temp_Restart”，TDC-GP21將會進行兩次溫度的快速測量，兩次測量之間的時間延遲將會為50Hz或60Hz的整數(shù)倍。這會減弱50 Hz或60 Hz的噪聲。而相對于單次溫度的快速測量，TDC-GP21先會先按照配置進行多次熱身測量，然后再按照順序 PT4< PT3< PT2 <pt1 p="" 端口實際實際溫度快速測量。在完成4次實際溫度快速測量結(jié)束之后，中斷標(biāo)志位就會被置位。tdc-gp21也可以按相反測量順序進行溫度測量，而熱身測量也會從pt4端口開始。測量的結(jié)果將會被存儲在gp21的結(jié)果寄存器0-3當(dāng)中。

　　傳感器電阻相對于溫度穩(wěn)定時電阻的變化將會由放電的時間比率體現(xiàn)。放電時間的計算公式為：

　　根據(jù)RRTD的值，通過相應(yīng)的公式計算或通過查詢對應(yīng)傳感器的溫度表格，就可以獲得傳感器目前測量到的溫度信息。

　　PT1000是一種鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，屬于正電阻系數(shù)熱敏電阻。其命名含義為：PT后的1000表示它在0 ℃時它的阻值為1000 Ω，在20 ℃時它的阻值約為1097.347 Ω，在300 ℃時它的阻值約為2120.515 Ω。它的工作原理：當(dāng)PT1000在0攝氏度的時候他的阻值為1000 Ω。它的阻值會隨著溫度上升而呈勻速增長，是線性關(guān)系。公式(3)是PT1000溫度和電阻值的關(guān)系式：

(3)

　　R(t)是溫度為t時鉑熱電阻的電阻值(Ω); (t)為溫度(℃);R0是溫度為0℃時鉑熱電阻的電阻值(Ω); A、B為分度常數(shù);

　　分度常數(shù)：A=3.9083×10^-3 ℃-1， B=-5.775×10^-7 ℃-2 ;

　　PT1000厚膜鉑電阻溫度傳感器的電阻值與溫度的關(guān)系偏離所給分度表的允差不超過 ±(0.30+0.005∣t∣)。

　　GP21的流量測量是基于超聲波上下游非常時間的。兩個超聲波換能器將會分別連接到GP21上下游測量的兩個端口，這個兩個換能器都可以作為接收端或者發(fā)射端。如圖4所示為基于時間間隔測量的超聲波流量測量原理圖。