超聲波熱量表設計方案　

作者 孫大鵬 利爾達科技集團股份有限公司

摘要：開(kāi)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(shí)芯片實(shí)現對流速、流量和熱量的高精度測量，M-Bus儀表總線(xiàn)的高效可靠數據傳輸，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?jì)?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(diǎn)。檢測結果符合《熱量表》行業(yè)標準的2級表要求，內置電池使用壽命超過(guò)10年。這幾項指標在國內同行業(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)，結合行業(yè)標準，應用超聲波流量測量技術(shù)和熱量測量技術(shù)研制開(kāi)發(fā)一種熱量表，給出系統的軟件和硬件結構設計方法。研究?jì)热莅崃勘淼臏y量原理、超聲波換能器工作機理、樣機的開(kāi)發(fā)、檢測、檢定的研究。

1 總體方案設計及功能分析

　　本方案設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)、數字化溫度流量測量技術(shù)、超聲波流量測量技術(shù)以及遠程集中抄表技術(shù)進(jìn)行了有效的結合。

　　本設計的超聲波熱量表主要由TDC-GP21設計的溫度流量測量?jì)x、MSP430F4481設計的積算儀及相關(guān)外圍電路、TSS721A設計的M-BUS總線(xiàn)系統三部分組成。圖1為應用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(lái)說(shuō)，TDC-GP21的價(jià)格優(yōu)勢非常適合低成本的超聲波熱能表設計。TDC-GP21優(yōu)異的性能(包括高精度的時(shí)間測量、準確的時(shí)鐘校準、自動(dòng)化的測量方式和低功耗的測量方案)，只要再加上一個(gè)簡(jiǎn)單的微處理器，以及很少的外部電路就可以構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，其內部集成了時(shí)鐘電路、溫度測量單元、脈沖發(fā)生器、TDC測量電壓和一個(gè)簡(jiǎn)單地運算單元ALU，以及模擬元器件比較器。內部集成的模擬開(kāi)關(guān)將會(huì )使外圍電路的設計大大簡(jiǎn)化。同時(shí)，測量的質(zhì)量也會(huì )被提高，測量的功耗將會(huì )被降低。

　　為了測量進(jìn)水口和出水口之間流體的溫度差異，TDC-GP21應用了其內部集成的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(huì )通過(guò)直接測量溫度傳感器RTD的電阻變化量而得到對應的溫度值，該過(guò)程是通過(guò)內部非常精確的時(shí)間測量完成的。測量時(shí)，傳感器測量電阻和參考溫度穩定電阻將會(huì )分別對于同一個(gè)電容進(jìn)行充放電，那么放電的時(shí)間將會(huì )通過(guò)內部的高精度的ps級別時(shí)間分辨率的TDC測量單元測量下來(lái)。圖3中顯示了一個(gè)GP21溫度測量的原理和一個(gè)典型充放電曲線(xiàn)。

　　只需要通過(guò)單片機向GP21傳送相對應的操作代碼，GP21的溫度測量就會(huì )自動(dòng)高效完成。通過(guò)傳送操作代碼“Start_Temp”，TDC-GP21將會(huì )進(jìn)行單次溫度的快速測量，而通過(guò)傳送操作代碼“Start_Temp_Restart”，TDC-GP21將會(huì )進(jìn)行兩次溫度的快速測量，兩次測量之間的時(shí)間延遲將會(huì )為50Hz或60Hz的整數倍。這會(huì )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(huì )先按照配置進(jìn)行多次熱身測量，然后再按照順序 PT4< PT3< PT2 <pt1 p="" 端口實(shí)際實(shí)際溫度快速測量。在完成4次實(shí)際溫度快速測量結束之后，中斷標志位就會(huì )被置位。tdc-gp21也可以按相反測量順序進(jìn)行溫度測量，而熱身測量也會(huì )從pt4端口開(kāi)始。測量的結果將會(huì )被存儲在gp21的結果寄存器0-3當中。

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

　　根據RRTD的值，通過(guò)相應的公式計算或通過(guò)查詢(xún)對應傳感器的溫度表格，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(huì )隨著(zhù)溫度的變化而改變，屬于正電阻系數熱敏電阻。其命名含義為：PT后的1000表示它在0 ℃時(shí)它的阻值為1000 Ω，在20 ℃時(shí)它的阻值約為1097.347 Ω，在300 ℃時(shí)它的阻值約為2120.515 Ω。它的工作原理：當PT1000在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為1000 Ω。它的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度上升而呈勻速增長(cháng)，是線(xiàn)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(shí)鉑熱電阻的電阻值(Ω); (t)為溫度(℃);R0是溫度為0℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值(Ω); A、B為分度常數;

　　分度常數：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(guò) ±(0.30+0.005∣t∣)。

　　GP21的流量測量是基于超聲波上下游非常時(shí)間的。兩個(gè)超聲波換能器將會(huì )分別連接到GP21上下游測量的兩個(gè)端口，這個(gè)兩個(gè)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(shí)間間隔測量的超聲波流量測量原理圖。