基于TDC

0 引言

    按照建设节约型社会的要求，冬季取暖实行热能计量收费变得越来越普遍，因此以超声波热量表为代表的热量计量产品普及率会越来越高。国外热量表利用其先进的技术、可靠的质量等优势占据欧洲大部分市场，但其价格昂贵，在我国难以推广应用。目前国内市场上所设计的超声波热量表存在着功耗大、精度低等问题[1]。

    针对上述问题，利用时差法原理，基于Acam公司的专用热量表设计的功能更强大的计时芯片GP22，设计了一款符合我国国情的高精度低功耗超声波热量表。所设计热量表是利用一对配对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波信号，通过计时芯片TDC_GP22测量出超声波在水中顺流和逆流的传播时间差来测量管道内的水速，再通过流速计算出水的流量。设计完成后在A类环境[2]条件下对多组热量表进行了测试。

1 超声波热量表的测量原理

1.1 超声波热量表的热量计量数学模型

    超声波热量表是在超声波流量计的基础上添加温度传感器实现温度的测量，通过测出管道内水流量和供、回水温差来计算用户所消耗的热量。水流经过热交换系统时，依据流量传感器测出的流量和温度传感器测出的供水温度、回水温度，以及TDC-GP22测出水流经过的时间，再通过CPU的计算就可以得到用户实际消耗的热量。实际应用中流经水的质量通过转换为测量水的体积得出，用户消耗热量的计算依据为行业标准CJ 128-2007给出的热量计算公式：

式中：Q为用户消耗的热量，单位J；qm为流经热量表水的质量流量，单位kg/h；qv为流经热量表水的体积流量，单位m3/h；ρ为水的密度，单位kg/m3；Δh为水的焓差值，单位J/kg；τ为时间，单位h。

1.2 时差法测流量原理及其数学模型

    超声波瞬时流量测量是利用时差法原理进行测量的，而基表的选型不同其测量精度也不同，因此基表的选型直接关系到最后热量表的测量精度。通过查阅参考文献[3-5]可知，W型基表优点尤为突出，此基表没有明显的扰动部件，能反映不同截面的流速且测量时受温度影响较小，而且由于W安装方案超声波经过3次反射，超声波传播路径较长，根据时差法测量原理，这使得W型测量精度较高，因此本文采用W反射式超声波热量表基表。

    超声波热量表测量原理如图1所示，所设计热量表是利用一对配对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波信号，通过计时芯片TDC_GP22测量出超声波在水中顺流和逆流的传播时间差来测量管道内的水速，然后通过流速计算出水的流量[6]。P1、P2和P3为超声波反射板，θ为超声波的反射角，L为超声波的传输距离(L=L1+L2+L3+L4)，c为超声波在静水中的传播速度，S为管径截面积，A、B为超声波换能器。

    当A向B发送超声波时测出的顺流传播时间td为：

    当B向A发送超声波时测出的逆流传播时间tu为：

2 TDC-GP22功能特性及其外围电路的设计

2.1 TDC-GP22测量原理及功能特性

    TDC-GP22是德国ACAM公司生产的最新一代高精度计时芯片。它利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔。并且这个高精度的时间测量单元TDC的分辨率达到22 ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障。由于该芯片具有智能第一波检测功能，使得该芯片非常适合低成本的超声波热量表的应用[7]。

    因TDC-GP22是在TDC-GP21的基础上发展而来，所以TDC-GP22的功能、管脚、寄存器与TDC-GP21可以100%兼容(可1:1进行替换)[8]。TDC-GP22除了具备TDC-GP21的所有特性外，还增加了3个重要功能：智能第一个回波检测功能、第一波脉冲宽度测量功能，简化的多脉冲结果计算功能。其中智能第一个回波检测功能是TDC-GP22芯片的最主要的一个功能的提升。第一回波检测功能不仅能够避免因忽略温度变化而导致不能准确判断超声波传播时间和驱动周期大小情况，而且还可以解决由于在测量换能器及测量反射镜面上或者测量壳体上出现覆盖物等因素导致的测量信号衰减，解决了第一个波的准确识别问题。

2.2 TDC-GP22的第一波检测功能测量流程

    TDC-GP22的第一波检测功能测量流程如图2所示，通过脉冲触发器，将第一波检测所需的比较器offset（偏移值）触发水平设置到一个可编辑的水平。例如设置到+20 mV来安全获得第二个波的位置，GP22在测量了脉冲1的脉冲宽度后，将会在t2点自动地将offset的触发水平设置回0 mV，然后自动在寄存器DELREL1～DELREL3中设置时间测量屏蔽窗口，比如设置DELREL1=3，则在第一个波测量到之后，将会测量第3个波的回波时间，此时，第一个真实时间的半波周期（hwp）也同时被记录，将会作为第一个波的宽度的比较参考。如图2中，测量的是第5个脉冲的宽度，而比率hwp1/hwp5可以反应信号的强弱，其比值越小，则接收到的信号越弱。这个信息可以用于监控流体的特性。如果经过长时间在管段或者换能器上有太多的沉淀物，则这个信号的比值可能会降低到低于0.5，这个时候可以在今后的测量中选择第二个脉冲作为参考。如果信号的降低是因为气泡引起的，GP22会自动地给单片机发出报警信号。GP22还可以自动地计算所有3个stop（停止通道）脉冲，并计算出其平均值储存到寄存器4中，无需像GP21当中再对寄存器重新发送命令，通过这种方式，大大简化了与单片机的通信。如果A段时间内，噪声没有触发TDC，则TDC将会给出一个溢出，此时说明管段为空管状态。

2.3 TDC-GP22外围电路的设计

    TDC-GP22外围电路设计如图3所示。芯片TDC-GP22的引脚FIRE_UP和FIRE_DOWN用来发送和接收超声波信号，由于芯片内部集成有额外的一个模拟电路输入部分，此添加功能大大简化了整个外围电路的设计，仅需将电容和电阻连接到换能器一端即可。芯片TDC-GP22有一个以PICOSTAIN为基础的温度测量单元，其可提供高精度、低功耗的温度测量。芯片实现温度测量是基于引脚PT3和PT4上连接的电阻R1(1 kΩ)对电容C1的放电时间确定的，C1选取100 nF，该电容会分别对参考电阻和Pt1000进行放电。引脚23和24连接为测量精度达0.004 ℃的铂电阻温度传感器Pt1000。

3 系统软件设计

    系统软件在IAR FOR MSP430环境下用C语言进行编写，程序流程图如图4所示。系统上电后，首先进行初始化，包括TDC-GP22初始化、时钟初始化等。之后进入主程序，处理器进入低功耗LPM3模式，等待中断唤醒。其中中断程序包括欠压中断、按键中断、通信中断、流量测量时间中断和温度测量时间中断等。为降低功耗并保证测量精度，温度的采集时间设置为30 s/次，流量的采集时间设置为1 s。单片机自带的看门狗程序保证程序的正常运行。

4 检测环境及结果

    在完成了超声波热量表的整体设计后，通过微安表GDM-8261对热量表进行功耗测试，测试结果如表1所示。通过测试可知，所设计热量表功耗较低，静态工作电流≤9 μA。

    根据热量表行业标准文件CJ 128-2007中的规定，本文采用管径为DN25的热表，水温度在55℃时，利用型号为RJZ15-25Z的热能表检定装置，分别在4个不同的流量点进行了测量，测得实验数据如表2所示。其中二级表流量传感器出厂测试准确度公式为Eq=±(2+0.02qp/q)，式中qp为常用流量，其值为3.5 m3/h。对小流量的测试结果表明，所设计热量表准确度高，误差值能控制在1%以内。

5 结束语

    针对社会需求以及市场上热量表存在的一些问题，基于TDC-GP22芯片，采用W反射式基表设计了低功耗高精度热量表。在测量精度方面完全符合行业标准CJ128-2007对热量表的2级准确度的要求；采用的TDC-GP22芯片简化了电路设计，极大降低了热量表的功耗。由此可知，所设计热量表能够较好地解决市场上一些现存热量表功耗大、持久性低以及小流量状态下测量精度低等问题，具有较高的推广以及实用价值。

参考文献

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[2] 张贤雨，王波，王彦.影响超声波热量表流量测量单元静态时间差因素的探讨[J].自动化与仪器仪表，2014(3)：58-59.

[3] WU Y L，ZHAO J，HUANG Y N，et al.Development of a high precision time-difference ultrasonic heat meter based on TDC-GP21[J].Applied Mechanics and Materials，2014，441：347-350.

[4] SHUO S H I，LIU Z，SUN J，et al.Study of errors in ultrasonic heat meter measurements caused by impurities of water based on ultrasonic attenuation[J].Journal of Hydrodynamics，Ser.B，2015，27(1)：141-149.

[5] 王贤妮，孙丽华，宋财华.时差法超声波热量表测量流量的修正算法[J].现代制造工程，2013(6)：101-104.

[6] 梅彦平，张明君，王延平，等.TDC-GP21在超声波热量表中的应用[J].仪表技术与传感器，2012(2)：37-39.

[7] 王波，王彦，张贤雨.介质温度变化对超声波热量表流量测量准确度的影响[J].自动化与仪器仪表，2014(3)：49-50.

[8] 高小明，彭勇，杨程.基于GP22设计低功耗控温热能仪表[J].化工自动化及仪表，2014，41(3)：285-289.