李世光，劉 超，白星振，高正中

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島266590)

0 引 言

按照我國建設(shè)節(jié)約型社會的要求，供暖收費體制按面積收費日益顯得不合理，全面施行以熱量計量收費代替面積計量收費的方式勢在必行。國內(nèi)早期使用的機(jī)械式熱量表存在容易磨損且使用壽命較低的缺點。作為一種無障礙式的流量測量方法，超聲波測量技術(shù)與溫度測量相結(jié)合的熱量表將全面替代機(jī)械式熱量表。國內(nèi)市場雖然存在部分熱量表生產(chǎn)廠家，但是這些熱量表的精確度低且穩(wěn)定性較差，尤其是小流量時計量偏差較大。

針對這些問題，本文設(shè)計提出了一種符合我國國情的小口徑(DN20/DN25)的熱量計量技術(shù)方案。選用超低功耗的MCU MSP430F4371，通過TDC—GP22 傳感器集成芯片配合超聲波熱量表實現(xiàn)高質(zhì)量的測量，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式熱量表功耗大、易損壞、精度低等缺點。通過多組熱量表在標(biāo)準(zhǔn)［1］的A 類環(huán)境下的測量和結(jié)果分析證明設(shè)計的熱量表精度高且穩(wěn)定性好。

1 超聲波熱量表工作原理

1.1 熱量表物理模型與數(shù)學(xué)模型

本文設(shè)計的超聲波熱量表主要采用TDC—GP22 來實現(xiàn)流量、溫度的電子化測量，同時利用MSP430 進(jìn)行流量、溫度以及熱量的相關(guān)計算。熱量表硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 超聲波熱量表硬件結(jié)構(gòu)Fig 1 Hardware structure of ultrasonic wave heat meter

國外熱量表采用計算簡單但存儲空間較大的K 系數(shù)法來實現(xiàn)熱量的計算，國內(nèi)熱量表起步較晚，大都采用計算較為復(fù)雜但存儲空間較小的焓差法計算熱量［2］。根據(jù)熱力學(xué)理論，熱交換系統(tǒng)釋放(或吸收)的熱量計算表達(dá)式為［3］

式中 Q 為用戶消耗的熱量，J;qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h;qv為流經(jīng)熱量表的水的體積流量，m3/h;ρ 為水的密度，kg/m3;Δh 為水的焓差值，J/kg;τ 為時間，h。

1.2 超聲波熱量表基表設(shè)計

為了避免V 字型安裝和π 型安裝所受水質(zhì)帶來的管道壁結(jié)垢和管道雜質(zhì)的影響，本文設(shè)計采取U 型安裝方式。為了盡量減少阻擋水流的橫截面積，減小阻力的同時也減少水中絮狀物的纏繞，將超聲波反射器改為立柱式結(jié)構(gòu)，以減少壓損，并采用鉚接方式與管壁相連，鏈接穩(wěn)固，變形?。?］，并且采用漸縮管道設(shè)計來起到很好的整流作用［5］。超聲波基表示意圖如圖2 所示。

圖2 超聲波基表示意圖Fig 2 Shematic diagram of ultrasonic wave basic gas meter

Pt1000 溫度傳感器安裝在基表的進(jìn)水口和出水口附近，將超聲波熱能表安裝在用戶的管道進(jìn)水口處來防止有些用戶竊取管道熱水。為了基表管道中水流形態(tài)不受影響，出水口處的溫度傳感器安裝位置如圖2(b)中所示。

1.3 流量測量單元數(shù)學(xué)原理

超聲波電量表的流量測量單元以時差法為設(shè)計原理，其計算公式為［6］

式中 c 為流體中聲速;Δt 為順逆流時間差;L 為有效聲程;θ 為聲道夾角。

其中，聲速c 是流體溫度的函數(shù)，為了消除溫度對上式的影響，可以設(shè)超聲波順流傳播時間為t0，逆流傳播時間為t1。采取的處理方法是

則有

超聲波測量的速度v 為線速度，而流量計算時采用的是面速度ˉv，所以，引入了校準(zhǔn)系數(shù)K，即K=ˉv/v，體積流量公式為

式中 D 為管道直徑。

2 TDC—GP22 芯片功能與設(shè)計

2.1 TDC—GP22 芯片介紹

因TDC—GP22 芯片是在TDC—GP21 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，所以，TDC—GP22 的功能、管腳、寄存器與TDC—GP21 可以完全兼容。內(nèi)置32 kHz 晶振，超低的測量功耗(整體功耗僅2.3 μA，靜態(tài)功耗0.005 μA。TDC—GP22 除了具備TDC—GP21 的所有特性外，還增加了3 個重要的功能:

1)第一個回波智能檢測功能:TDC—GP22 使得時間窗口設(shè)置不再受時差變化影響，從而實現(xiàn)精確的脈沖間隔測量和回流、空管識別和報警。

2)目前市面上僅TDC—GP22 可以實現(xiàn)的第一波脈沖寬度測量功能:TDC-GP22 的脈沖寬度測量可以幫助在熱量表應(yīng)用中檢測段內(nèi)是否有氣泡影響，以及檢測管段內(nèi)的長期覆蓋物，給出報警信號。

3)簡化的多脈沖結(jié)果計算功能:TDC—GP22 芯片將會自動處理計算3 個脈沖結(jié)果，并給出平均值。通過這種方式，測量的結(jié)果完全由TDC—GP22 自動完成，MCU 僅需直接讀結(jié)果，簡化了整個測量的流程，節(jié)省單片機(jī)資源。

TDC—GP22 設(shè)計電路如圖3 所示。

圖3 TDC—GP22 設(shè)計電路Fig 3 Circuit design of TDC—GP22

設(shè)計主要包括超聲波流量測量模塊和溫度測量模塊。電源部分VIO 和VCC 通過小阻值電阻器R3 來分離并且用旁路電容器去耦。

2.2 振蕩器電路的設(shè)計

本設(shè)計振蕩器選擇了一個32.768 kHz 石英晶體和一個4 MHz 的陶瓷晶振。32.768 kHz 的基準(zhǔn)時鐘來控制高速時鐘的起振和對時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，F(xiàn)IRE_IN 管腳可以用于32.768 kHz 晶振的驅(qū)動輸出，單片機(jī)可以省去一個低功耗振蕩器。TDC—GP22 可以通過內(nèi)部電路控制晶振的開啟時間，當(dāng)不需要測量時間時，晶振關(guān)閉來達(dá)到降低功耗的目的。

2.3 TDC—GP22 的溫度和流量檢測設(shè)計

TDC—GP22 的溫度測量是基于ACAM 公司的PICOSTRAIN 測量原理的［7］。Pt1000 溫度傳感器電阻的變化被轉(zhuǎn)換為高精度的時間測量間隔。溫度測量單元的電阻測量端口PT1，PT2 端口用于測量熱量表進(jìn)出口的水溫，PT3，PT4端口同時連接到一個參考電阻器上。

TDC—GP22 對于一次溫度的檢測是完全自動完成的，會在實際測量之后置位中斷標(biāo)志位并且將測量結(jié)果保存在寄存器中。

在超聲波熱量表的流量測量環(huán)節(jié)中，超聲波電路的外圍設(shè)計僅僅需要在換能器一端介入2 只參考電阻器和電容器，極大地簡化了整個硬件電路的設(shè)計。超聲波熱量表高質(zhì)量的前提條件是保證電壓零點漂移小于2 mV。超聲波換能器接收到為幾百毫伏的正弦振蕩信號，通過內(nèi)部的斬波穩(wěn)定比較器的觸發(fā)電壓設(shè)置為1/3 VCC 并且可以頻繁地校正比較器的電壓零點漂移，使其自動調(diào)整到小于2 mV。數(shù)字TDC 的高速單元在測量范圍2 中測量從START 或者STOP 信號到相鄰的基準(zhǔn)時鐘上升沿之間的時間間隔［7］。

基于時差法的流量檢測環(huán)節(jié)中，測量結(jié)果由超聲波流和逆流傳播兩次單程時間測量組成。在這兩次時間沒有相減之前使用同一個校準(zhǔn)時鐘，可以避免時鐘抖動對測量結(jié)果的影響。

3 TDC—GP22 第一波檢測功能

目前的超聲波熱量表測量中存在著兩個問題:一是當(dāng)供暖部門的水質(zhì)較差或者熱能表使用時間較長時，換能器表面、超聲波反射鏡面或者測量管道上或出現(xiàn)一些覆蓋雜物，這些覆蓋的雜物會影響超聲波信號的傳輸，導(dǎo)致測量信號從±400 mV 到小于±80 mV 的衰減。此時，若第一個波的幅值低于設(shè)定的offset 值，測量結(jié)果將會跳變一個周期;二是現(xiàn)有的測量芯片僅通過設(shè)定固定的DALVAL 數(shù)值來判斷飛行時間的變化，而忽略了溫度的變化會影響超聲波的聲速，因此，不能準(zhǔn)確地判斷出飛行時間和驅(qū)動周期的大小。

TDC—GP22 的第一波檢測功能使得芯片測量脈沖的時間完全與流體的溫度和速度無關(guān)，而僅與第一個回波的時間相關(guān)。這樣可以濾除掉錯誤的零點檢測和零點識別值。圖4 為第一波模式示意圖。

圖4 第一波模式示意圖Fig 4 Diagram of the first wave mode

第一個波檢測的比較器offset 值通過脈沖發(fā)生器調(diào)整到合適位置。當(dāng)TDC—GP22 測量第一個波上升沿和下降沿的時間寬度PWM1 后，在圖2(b)中的b 時刻offset 值降為0。然后通過參數(shù)DELREL1，DELREL2，DELREL3 的值來設(shè)置時間測量的屏蔽窗口，以此來選擇測量第幾個波的回波時間。如圖，當(dāng)DELREL1=3，即測量第五個波的回波時間寬度PWM2 時，GP22 將測量的第一個振蕩回波半周期的脈沖寬度PWM1 與PWM2 作出比值。此比值越小所接收到的信號越弱，若這個比值小于0.5 時，說明管段或者換能器或者反射鏡片上有太多沉淀雜物，也可能是由于管段內(nèi)的氣泡引起信號強(qiáng)度的下降。此時可以給CPU 發(fā)送報警信號。TDC—GP22 會自動計算所有3 個stop 脈沖，只要收到中斷信號，則可以立即讀出測量的結(jié)果和平均值，簡化了與單片機(jī)的通信。當(dāng)位于圖4 所示的空管段o－a，offset 值會保持不變，stop 信號也不會產(chǎn)生，TDC 將會發(fā)出溢出信號。

TDC—GP22 簡化的多脈沖計算流程框圖如圖5 所示。

圖5 TDC—GP22 多脈沖計算流程Fig 5 Multi-pulse calculation process of TDC—GP22

通過TDC—GP22 的多脈沖計算，自動完成測量結(jié)果的計算，單片機(jī)只需要直接讀取，從而簡化了整個測量的流程，節(jié)省了時間和功耗。

4 檢測環(huán)境與結(jié)果

通過FLUKE 15B 對熱量表進(jìn)行功耗測試，測試結(jié)果如表1。

表1 熱量表功耗測試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data of heat meter power consumption

選用精密數(shù)字測溫儀SPI1602A 和恒溫槽HWC—R—L 來進(jìn)行溫度測試，溫度測試結(jié)果(50 ℃)如表2。

表2 溫度測試值與真實值對比Tab 2 Comparison of temperature test values and true value

流量測試是在熱量表檢定裝置RJZ15—25Z 上進(jìn)行;流量測試按照2 級表流量傳感器出廠測試準(zhǔn)確度公式［1］進(jìn)行對比

式中 qp為常用流量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007 查閱公稱直徑DN20 對應(yīng)qp值為2.5 m3/h。熱量表在55 ℃下測試，結(jié)果如表3 所示。

5 結(jié)束語

本文針對市場上熱量表的需求和存在的一些問題，設(shè)計了基于超聲波測量原理的低功耗高精度熱量表。優(yōu)化的電路設(shè)計和TDC—GP22 的簡化測量極大地降低了熱量表的功 耗。通過在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007規(guī)定環(huán)境下的測試，熱量表測量精度完全符合對熱量表的2 級準(zhǔn)確度的要求;熱量表流量測量能控制在較小的誤差值范圍內(nèi)。所設(shè)計的超聲波熱量表具有極高的推廣價值和廣闊的發(fā)展前景。

表3 流量測量值與真實值對比Tab 3 Comparison of flow measurement value and true value

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.CJ128—2007 熱量表中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］ 鞠文濤.超聲波熱量表的設(shè)計與研發(fā)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［3］ 甄蘭蘭，沈昱明.熱量表的熱量計算原理及計算［J］.自動化儀表，2004(10):41－44.

［4］ 林文卓，王樹鐸.國內(nèi)戶用超聲波熱量表技術(shù)現(xiàn)狀［J］.暖通空調(diào)，2012(12):129－131.

［5］ 劉永輝，杜廣生.反射裝置對超聲波流量計水流特性影響的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2011(5):1183－1188.

［6］ 張賢雨，王 波，王 彥.影響超聲波熱量表流量測量單元靜態(tài)時間差因素的探討［J］.自動化儀器與儀表，2014(3):58－59.

［7］ Datasheet TDC—GP22［EB/OL］.［2012—01—10］.http://www.acam.de.