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(lái)我國提出建筑節能計劃，逐步實(shí)現分戶(hù)計量收費制度。供熱計量正在逐漸成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)，戶(hù)用超聲波熱表以低功耗、高精度越來(lái)越受關(guān)注。超聲流量計量實(shí)現了非接觸式高精度測量，因此有量程寬、無(wú)壓損、組成簡(jiǎn)單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。目前的主要的超聲流量計量技術(shù)是時(shí)差法和相差法。時(shí)差法超聲流量計就是根據介質(zhì)的流速與時(shí)差存在線(xiàn)性關(guān)系原理進(jìn)行測量的，只要準確測定順逆流時(shí)間，根據流速與其線(xiàn)性關(guān)系，可以求出瞬時(shí)流速，進(jìn)而可以求出瞬時(shí)流量。而相差法則是通過(guò)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(shí)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(zhuān)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利用超聲波相差法測量當前管道中的流量值，同時(shí)利用溫度傳感器測量入口水溫和出口水溫，通過(guò)熱量計算就可得出當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(guò)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(gè)換能器之間的水平距離為L(cháng)，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(shí)間t1和逆流傳播過(guò)程中的渡越時(shí)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(shí)溫度測量單元測出進(jìn)口水溫和出口水溫，然后就可以根據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(lái)實(shí)現流速的測量，在實(shí)際應用中，順逆流相差不會(huì )超過(guò)1個(gè)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(jìn)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(gè)內部參考信號的相位差，由外部MCU讀取兩個(gè)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(guò)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(huì )自動(dòng)校準，保證OFFSET在1mV范圍內。

　　回波信號和內部參考信號進(jìn)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(shí)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(guò)高分辨率的TDC（單精度64ps，雙精度32ps）進(jìn)行的，TDC可以連續測量多達31個(gè)相位差脈沖的寬度，ALU對這些寬度的值進(jìn)行累加積分，進(jìn)行校準并將結果存放在寄存器RES0中，此時(shí)RES0是一個(gè)有符號數，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(guò)計算得到順流和逆流的時(shí)間差。

　　3.2溫度測量單元

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

　　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(gè)測量端口。

　　在溫度測量應用中，當測量電阻進(jìn)行充放電時(shí)，如果使用外部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP設置為0，如果使用內部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP寄存器設置為1，兩種情況分別對應的電路連接如圖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(gè)電阻和電容組成的RC網(wǎng)絡(luò )的放電時(shí)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(dòng)溫度測量，UTA6905自動(dòng)控制溫度測量，測量完成之后中斷標志置位，測量數據被存儲在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(guò)查表，可以計算出當前的傳感器的溫度，注意UTA6905不支持4線(xiàn)的溫度傳感器。

　　4. 總結

　　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(guò)程中，相差法提供的數據是進(jìn)行濾波算法之后的平均值，波動(dòng)性更小，更接近真實(shí)流量，提高了測量精度，具有廣闊的應用前景。