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News Center1.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)界基于相差法的智能超聲波熱量表芯片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
超聲波熱量表測量系統(tǒng)利用超聲波相差法測量當前管道中的流量值,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:
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。
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,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。
如圖4所示,溫度測量單元支持PT1-PT4四個測量端口。
在溫度測量應用中,當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寄存器設置為1,兩種情況分別對應的電路連接如圖5所示。
溫度傳感器的zui小阻值為500Ω。UTA6905測量出由每個電阻和電容組成的RC網(wǎng)絡的放電時間。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,具有廣闊的應用前景。(end)北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。