作者 孫大鵬 利爾達(dá)科技集團(tuán)股份有限公司

摘要：開發(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(jì)時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)流速、流量和熱量的高精度測(cè)量，M-Bus儀表總線的高效可靠數(shù)據(jù)傳輸，并充分挖掘MSP430F4481處理器芯片的功耗和計(jì)算速度優(yōu)勢(shì)和TDC-GP21芯片的高精度計(jì)量?jī)?yōu)勢(shì)，所研制的熱量表具有成本低、測(cè)量精度高、功耗超低的特點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果符合《熱量表》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)表要求，內(nèi)置電池使用壽命超過10年。這幾項(xiàng)指標(biāo)在國內(nèi)同行業(yè)產(chǎn)品中有很大優(yōu)勢(shì)。

0 引言

　　本課題從對(duì)超聲波熱量測(cè)量原理的理論研究出發(fā)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用超聲波流量測(cè)量技術(shù)和熱量測(cè)量技術(shù)研制開發(fā)一種熱量表，給出系統(tǒng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。研究?jī)?nèi)容包括熱量表的測(cè)量原理、超聲波換能器工作機(jī)理、樣機(jī)的開發(fā)、檢測(cè)、檢定的研究。

1 總體方案設(shè)計(jì)及功能分析

　　本方案設(shè)計(jì)的超聲波熱量表是一種整體式的熱量表。將低功耗單片機(jī)技術(shù)、數(shù)字化溫度流量測(cè)量技術(shù)、超聲波流量測(cè)量技術(shù)以及遠(yuǎn)程集中抄表技術(shù)進(jìn)行了有效的結(jié)合。

　　本設(shè)計(jì)的超聲波熱量表主要由TDC-GP21設(shè)計(jì)的溫度流量測(cè)量?jī)x、MSP430F4481設(shè)計(jì)的積算儀及相關(guān)外圍電路、TSS721A設(shè)計(jì)的M-BUS總線系統(tǒng)三部分組成。圖1為應(yīng)用TDC-GP21測(cè)量的超聲波熱量表方案的原理框圖。

　　相對(duì)其他測(cè)量芯片來說，TDC-GP21的價(jià)格優(yōu)勢(shì)非常適合低成本的超聲波熱能表設(shè)計(jì)。TDC-GP21優(yōu)異的性能(包括高精度的時(shí)間測(cè)量、準(zhǔn)確的時(shí)鐘校準(zhǔn)、自動(dòng)化的測(cè)量方式和低功耗的測(cè)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(gòu)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(cè)量

　　TDC-GP21提供了對(duì)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(kuò)展的功能。如圖2所示，其內(nèi)部集成了時(shí)鐘電路、溫度測(cè)量單元、脈沖發(fā)生器、TDC測(cè)量電壓和一個(gè)簡(jiǎn)單地運(yùn)算單元ALU，以及模擬元器件比較器。內(nèi)部集成的模擬開關(guān)將會(huì)使外圍電路的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。同時(shí)，測(cè)量的質(zhì)量也會(huì)被提高，測(cè)量的功耗將會(huì)被降低。

　　為了測(cè)量進(jìn)水口和出水口之間流體的溫度差異，TDC-GP21應(yīng)用了其內(nèi)部集成的PICOSTRAIN測(cè)量方式，提供了高精度和低功耗的溫度測(cè)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)通過直接測(cè)量溫度傳感器RTD的電阻變化量而得到對(duì)應(yīng)的溫度值，該過程是通過內(nèi)部非常精確的時(shí)間測(cè)量完成的。測(cè)量時(shí)，傳感器測(cè)量電阻和參考溫度穩(wěn)定電阻將會(huì)分別對(duì)于同一個(gè)電容進(jìn)行充放電，那么放電的時(shí)間將會(huì)通過內(nèi)部的高精度的ps級(jí)別時(shí)間分辨率的TDC測(cè)量單元測(cè)量下來。圖3中顯示了一個(gè)GP21溫度測(cè)量的原理和一個(gè)典型充放電曲線。

　　只需要通過單片機(jī)向GP21傳送相對(duì)應(yīng)的操作代碼，GP21的溫度測(cè)量就會(huì)自動(dòng)高效完成。通過傳送操作代碼“Start_Temp”，TDC-GP21將會(huì)進(jìn)行單次溫度的快速測(cè)量，而通過傳送操作代碼“Start_Temp_Restart”，TDC-GP21將會(huì)進(jìn)行兩次溫度的快速測(cè)量，兩次測(cè)量之間的時(shí)間延遲將會(huì)為50Hz或60Hz的整數(shù)倍。這會(huì)減弱50 Hz或60 Hz的噪聲。而相對(duì)于單次溫度的快速測(cè)量，TDC-GP21先會(huì)先按照配置進(jìn)行多次熱身測(cè)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(cè)量。在完成4次實(shí)際溫度快速測(cè)量結(jié)束之后，中斷標(biāo)志位就會(huì)被置位。tdc-gp21也可以按相反測(cè)量順序進(jìn)行溫度測(cè)量，而熱身測(cè)量也會(huì)從pt4端口開始。測(cè)量的結(jié)果將會(huì)被存儲(chǔ)在gp21的結(jié)果寄存器0-3當(dāng)中。

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

　　根據(jù)RRTD的值，通過相應(yīng)的公式計(jì)算或通過查詢對(duì)應(yīng)傳感器的溫度表格，就可以獲得傳感器目前測(cè)量到的溫度信息。

　　PT1000是一種鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，屬于正電阻系數(shù)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(dāng)PT1000在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為1000 Ω。它的阻值會(huì)隨著溫度上升而呈勻速增長(zhǎng)，是線性關(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(shù);

　　分度常數(shù)：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 ±(0.30+0.005∣t∣)。

　　GP21的流量測(cè)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(cè)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(cè)量的超聲波流量測(cè)量原理圖。