作者 孫大鵬 利爾達科技集團股份有限公司

摘要：開發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，采用高精度的計時芯片實現對流速、流量和熱量的高精度測量，M-Bus儀表總線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勢和TDC-GP21芯片的高精度計量優勢，所研制的熱量表具有成本低、測量精度高、功耗超低的特點。檢測結果符合《熱量表》行業標準的2級表要求，內置電池使用壽命超過10年。這幾項指標在國內同行業產品中有很大優勢。

0 引言

　　本課題從對超聲波熱量測量原理的理論研究出發，結合行業標準，應用超聲波流量測量技術和熱量測量技術研制開發一種熱量表，給出系統的軟件和硬件結構設計方法。研究內容包括熱量表的測量原理、超聲波換能器工作機理、樣機的開發、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、數字化溫度流量測量技術、超聲波流量測量技術以及遠程集中抄表技術進行了有效的結合。

　　本設計的超聲波熱量表主要由TDC-GP21設計的溫度流量測量儀、MSP430F4481設計的積算儀及相關外圍電路、TSS721A設計的M-BUS總線系統三部分組成。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說，TDC-GP21的價格優勢非常適合低成本的超聲波熱能表設計。TDC-GP21優異的性能(包括高精度的時間測量、準確的時鐘校準、自動化的測量方式和低功耗的測量方案)，只要再加上一個簡單的微處理器，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，其內部集成了時鐘電路、溫度測量單元、脈沖發生器、TDC測量電壓和一個簡單地運算單元ALU，以及模擬元器件比較器。內部集成的模擬開關將會使外圍電路的設計大大簡化。同時，測量的質量也會被提高，測量的功耗將會被降低。

　　為了測量進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系，芯片將會通過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，該過程是通過內部非常精確的時間測量完成的。測量時，傳感器測量電阻和參考溫度穩定電阻將會分別對于同一個電容進行充放電，那么放電的時間將會通過內部的高精度的ps級別時間分辨率的TDC測量單元測量下來。圖3中顯示了一個GP21溫度測量的原理和一個典型充放電曲線。

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

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

　　根據RRTD的值，通過相應的公式計算或通過查詢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，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，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 ℃時它的阻值為1000 Ω，在20 ℃時它的阻值約為1097.347 Ω，在300 ℃時它的阻值約為2120.515 Ω。它的工作原理：當PT1000在0攝氏度的時候他的阻值為1000 Ω。它的阻值會隨著溫度上升而呈勻速增長，是線性關系。公式(3)是PT1000溫度和電阻值的關系式：

(3)

　　R(t)是溫度為t時鉑熱電阻的電阻值(Ω); (t)為溫度(℃);R0是溫度為0℃時鉑熱電阻的電阻值(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系偏離所給分度表的允差不超過 ±(0.30+0.005∣t∣)。

　　GP21的流量測量是基于超聲波上下游非常時間的。兩個超聲波換能器將會分別連接到GP21上下游測量的兩個端口，這個兩個換能器都可以作為接收端或者發射端。如圖4所示為基于時間間隔測量的超聲波流量測量原理圖。