超声波热量表设计方案　

作者 孙大鹏 利尔达科技集团股份有限公司

摘要：开发一款基于超声波传感器和高精度铂电阻温度传感器的超声波热量表，采用高精度的计时芯片实现对流速、流量和热量的高精度测量，M-Bus仪表总线的高效可靠数据传输，并充分挖掘MSP430F4481处理器芯片的功耗和计算速度优势和TDC-GP21芯片的高精度计量优势，所研制的热量表具有成本低、测量精度高、功耗超低的特点。检测结果符合《热量表》行业标准的2级表要求，内置电池使用寿命超过10年。这几项指标在国内同行业产品中有很大优势。

0 引言

　　本课题从对超声波热量测量原理的理论研究出发，结合行业标准，应用超声波流量测量技术和热量测量技术研制开发一种热量表，给出系统的软件和硬件结构设计方法。研究内容包括热量表的测量原理、超声波换能器工作机理、样机的开发、检测、检定的研究。

1 总体方案设计及功能分析

　　本方案设计的超声波热量表是一种整体式的热量表。将低功耗单片机技术、数字化温度流量测量技术、超声波流量测量技术以及远程集中抄表技术进行了有效的结合。

　　本设计的超声波热量表主要由TDC-GP21设计的温度流量测量仪、MSP430F4481设计的积算仪及相关外围电路、TSS721A设计的M-BUS总线系统三部分组成。图1为应用TDC-GP21测量的超声波热量表方案的原理框图。

　　相对其他测量芯片来说，TDC-GP21的价格优势非常适合低成本的超声波热能表设计。TDC-GP21优异的性能(包括高精度的时间测量、准确的时钟校准、自动化的测量方式和低功耗的测量方案)，只要再加上一个简单的微处理器，以及很少的外部电路就可以构成一套完整的超声波热量表方案，大大减少了成本。

2 GP21温度流量测量

　　TDC-GP21提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能，以及一些提升的特性和额外扩展的功能。如图2所示，其内部集成了时钟电路、温度测量单元、脉冲发生器、TDC测量电压和一个简单地运算单元ALU，以及模拟元器件比较器。内部集成的模拟开关将会使外围电路的设计大大简化。同时，测量的质量也会被提高，测量的功耗将会被降低。

　　为了测量进水口和出水口之间流体的温度差异，TDC-GP21应用了其内部集成的PICOSTRAIN测量方式，提供了高精度和低功耗的温度测量方案。由于温度传感器的电阻值与温度有存在一定的关系，芯片将会通过直接测量温度传感器RTD的电阻变化量而得到对应的温度值，该过程是通过内部非常精确的时间测量完成的。测量时，传感器测量电阻和参考温度稳定电阻将会分别对于同一个电容进行充放电，那么放电的时间将会通过内部的高精度的ps级别时间分辨率的TDC测量单元测量下来。图3中显示了一个GP21温度测量的原理和一个典型充放电曲线。

　　只需要通过单片机向GP21传送相对应的操作代码，GP21的温度测量就会自动高效完成。通过传送操作代码“Start_Temp”，TDC-GP21将会进行单次温度的快速测量，而通过传送操作代码“Start_Temp_Restart”，TDC-GP21将会进行两次温度的快速测量，两次测量之间的时间延迟将会为50Hz或60Hz的整数倍。这会减弱50 Hz或60 Hz的噪声。而相对于单次温度的快速测量，TDC-GP21先会先按照配置进行多次热身测量，然后再按照顺序 PT4< PT3< PT2 <pt1 p="" 端口实际实际温度快速测量。在完成4次实际温度快速测量结束之后，中断标志位就会被置位。tdc-gp21也可以按相反测量顺序进行温度测量，而热身测量也会从pt4端口开始。测量的结果将会被存储在gp21的结果寄存器0-3当中。

　　传感器电阻相对于温度稳定时电阻的变化将会由放电的时间比率体现。放电时间的计算公式为：

　　根据RRTD的值，通过相应的公式计算或通过查询对应传感器的温度表格，就可以获得传感器目前测量到的温度信息。

　　PT1000是一种铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变，属于正电阻系数热敏电阻。其命名含义为：PT后的1000表示它在0 ℃时它的阻值为1000 Ω，在20 ℃时它的阻值约为1097.347 Ω，在300 ℃时它的阻值约为2120.515 Ω。它的工作原理：当PT1000在0摄氏度的时候他的阻值为1000 Ω。它的阻值会随着温度上升而呈匀速增长，是线性关系。公式(3)是PT1000温度和电阻值的关系式：

(3)

　　R(t)是温度为t时铂热电阻的电阻值(Ω); (t)为温度(℃);R0是温度为0℃时铂热电阻的电阻值(Ω); A、B为分度常数;

　　分度常数：A=3.9083×10^-3 ℃-1， B=-5.775×10^-7 ℃-2 ;

　　PT1000厚膜铂电阻温度传感器的电阻值与温度的关系偏离所给分度表的允差不超过 ±(0.30+0.005∣t∣)。

　　GP21的流量测量是基于超声波上下游非常时间的。两个超声波换能器将会分别连接到GP21上下游测量的两个端口，这个两个换能器都可以作为接收端或者发射端。如图4所示为基于时间间隔测量的超声波流量测量原理图。