超聲波熱量表芯片UTA6905的相差法流量測(cè)量原理 超聲波流量計(jì)

 1.    概述

近年來(lái)我國(guó)提出建筑節(jié)能計(jì)劃，逐步實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量收費(fèi)制度。供熱計(jì)量正在逐漸成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)，戶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(jì)量實(shí)現(xiàn)了非接觸式高精度測(cè)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(jì)量技術(shù)是時(shí)差法和相差法。時(shí)差法超聲流量計(jì)就是根據(jù)介質(zhì)的流速與時(shí)差存在線性關(guān)系原理進(jìn)行測(cè)量的，只要準(zhǔn)確測(cè)定順逆流時(shí)間，根據(jù)流速與其線性關(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(hào)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(guó)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專(zhuān)用芯片UTA6905，本文主要介紹UTA6905芯片的相差法超聲流量計(jì)量原理。 

2.相差法超聲流量計(jì)量原理 

     超聲波熱量表測(cè)量系統(tǒng)利用超聲波相差法測(cè)量當(dāng)前管道中的流量值，同時(shí)利用溫度傳感器測(cè)量入口水溫和出口水溫，通過(guò)熱量計(jì)算就可得出當(dāng)前住宅所使用的熱量。UTA6905芯片利用相差法完成對(duì)管道中流量的測(cè)量，是通過(guò)測(cè)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(cè)量原理如圖1所示。

 
圖1:超聲波流量測(cè)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，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(jì)量原理 

   UTA6905芯片中的相差測(cè)量單元利用相差法超聲波流量計(jì)量技術(shù)測(cè)量出管道中水的流量，同時(shí)溫度測(cè)量單元測(cè)出進(jìn)口水溫和出口水溫，然后就可以根據(jù)公式計(jì)算出住宅使用的熱量。 

3.1 UTA6905相位差測(cè)量單元 

UTA6905芯片利用順流方向和逆流方向回波信號(hào)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)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(jì)量單元的電路原理圖如圖2所示：

 
圖2:UTA6905相差法流量計(jì)量單元電路原理圖

順逆流的測(cè)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(cè)量順逆流回波信號(hào)相對(duì)于同一個(gè)內(nèi)部參考信號(hào)的相位差，由外部MCU讀取兩個(gè)值并計(jì)算順逆流的相位差，圖3所示為UTA6905相差法流量測(cè)量原理。

 
圖3:UTA6905芯片相差法原理

內(nèi)部參考信號(hào)為1MHz，占空比75%的方波，與FIRE脈沖同步。 

回波信號(hào)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(cè)量前都會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)，保證OFFSET在1mV范圍內(nèi)。 

回波信號(hào)和內(nèi)部參考信號(hào)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(hào)的下降沿之間的時(shí)間，如果回波信號(hào)上升沿超前于參考信號(hào)下降沿(落在參考信號(hào)高電平區(qū)間)，則相位差為正值，否則(落在參考信號(hào)低電平期間)為負(fù)值，UTA6905測(cè)得的相位差脈沖的寬度范圍為(-250ns,750ns)。 

對(duì)相位差脈寬的測(cè)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(xù)測(cè)量多達(dá)31個(gè)相位差脈沖的寬度，ALU對(duì)這些寬度的值進(jìn)行累加積分，進(jìn)行校準(zhǔn)并將結(jié)果存放在寄存器RES0中，此時(shí)RES0是一個(gè)有符號(hào)數(shù)，可以指示出回波脈沖是超前還是滯后于參考信號(hào)。 

一次順流和逆流相位差測(cè)量完成后，外部MCU讀出兩次相差值，通過(guò)計(jì)算得到順流和逆流的時(shí)間差。 

3.2溫度測(cè)量單元 

針對(duì)于熱量計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一基于TDC技術(shù)的高精度低功耗溫度測(cè)量單元，該單元是通過(guò)溫度傳感器電阻或精密電阻對(duì)電容充放電，TDC通過(guò)測(cè)量放電時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

 
圖4:溫度測(cè)量原理示意圖

如圖4所示，溫度測(cè)量單元支持PT1-PT4四個(gè)測(cè)量端口。 

在溫度測(cè)量應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)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(shè)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(shè)置為1，兩種情況分別對(duì)應(yīng)的電路連接如圖5所示。

 
圖5:溫度測(cè)量原理示意圖

溫度傳感器的最小阻值為500Ω。UTA6905測(cè)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(cè)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(cè)量，UTA6905自動(dòng)控制溫度測(cè)量，測(cè)量完成之后中斷標(biāo)志置位，測(cè)量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在RES0～RES3 中。 

從Res_1/RES_0和RES_2/RES_3中微控制器可以計(jì)算出Rtemp/Rref的比值。通過(guò)查表，可以計(jì)算出當(dāng)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(jì)量原理，由于存在相位差累加積分，相差法對(duì)于偶然誤差和干擾誤差的消除具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，特別是在流量測(cè)量過(guò)程中，相差法提供的數(shù)據(jù)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(cè)量精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。