浅议高精度定时器在新型超声波热能表中的应用

【摘 要】热能表是用来检测热量的装置，通过流量和温度两种传感器分别测得热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算才能得到热量值。热量属于过程量，传统的测量方法对于过程计量本身就存在较大的难度，而且存在测量误差大，修正因素多等问题，因此很难完成温度的高精度测量，并且许多热量表的功耗很大，无法满足电池长期驱动的要求，限制了热表的应用。对此，本文利用超声波的测量原理，根据时差法进行液体流速的计算，应用德国ACAM公司生产的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1实现了一种新型的超声波热计量表，并且在计量过程中充分考虑并解决了存在的非线性校正和温度补偿问题。

【关键词】超声波热能表；TDC-GP1；非线性校正；温度补偿

１．超声波计量原理与TDC-GP1

芯片时差法超声波热量检测是利用超声波在液体中顺流和逆流传输速度不同的原理实现液体流速计量的。由液体流速计算公式可知，液体速度测量可以通过测量超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时间差来间接测得。由于超声波在液体中的传输速度很快，而且超声波热量计两个换能器之间的距离比较短，当液体低流速流动时超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时差很小，这就要求定时器具有较高的时间分辨率。

德国ACAM公司生产的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1，可以提供两通道250ps或单通道125ps分辨率的时间间隔测量。TPC-GP1具有两个检测通道，每个通道各有4个15位长度的数据寄存器，用于记录每个停止脉冲与开始脉冲之间的时间间隔。内部还有8个无符号结果寄存器或4个有符号数据寄存器，通过16位字长数据运算器的计算，不仅可以把各个停止脉冲与开始脉冲的时间间隔存入数据寄存器，还可以把同一通道或不同通道的任意两个脉冲的时间间隔时间存入数据寄存器。另外TDC-GP1具有RLC测量功能，可以直接把被测元件参数转换成与之参数对应的时间间隔，笔者所介绍的热量表正是应用TDG-GP1的特点制成的高精度、低功耗的超声波热量表。

2.超声波热量表的硬件设计

超声波热量表的硬件组成包括低功耗单片机、TDC-GP1定时器、硬件时钟定时器、LCD显示器及驱动电路、换能器信号驱动和模拟切换开关、非易失数据存储器、串行通信接口等。低功耗的单片机芯片和低功耗TDC-GP1高精密定时器是超声波热量表的核心器件。单片机控制模拟开关切换超声波变换器的收发方向，TDC-GP1实现超声波传输时间和进回水温度检测，单片机完成传输时间差到液体流量之间的计算和温度传感器到温度的计算，非易失数据存储器实现设置参数的存储及检测累计数据的存储，LCD完成参数显示。硬件时钟电路把系统从休眠状态唤醒，RS485实现热表系统与管理计算机系统的数据通信。为延长电池供电的时间，系统采取休眠的节能工作方式。

基于TDC-GP1的超声波热量表在一次超声波时间间隔测试时只能检测一个方向的超声波传递时间间隔，要检测超声波在不同方向的传输时间差就必须在两个方向上交替进行超声波传输延时检测，把多个检测结果取平均值，以获得理想的检测结果。实际检测电路中是利用模拟开关来实现检测方向的切换。完成一次检测是以START端加开始检测脉冲开始的，在STOP1和STOP2端分别加入换能器的激励脉冲信号和另一个换能器的检测接收脉冲信号。每个通道能记录4个脉冲的到达时间，通过计算4对脉冲时间间隔的平均值，可以减小检测误差对检测精度的影响。

3.超声波热量表的软件设计

超声波流量计的软件主要包括超声波时差检测软件设计、温度参数检测软件设计、检测参数器差修正和非线性参数校验软件设计等。超声波时差检测需要完成正反两个方向的时间检测，检测结果之差可以换算成被测液体的流速，流量的求解可以利用TDC-GP1内部的硬件乘法器系数校正功能实现，通过设置不同的乘积因子，可以使热表适应不同管径的液体的流量计算。

利用超声波时差进行液体流速测量时，要根据超声波在不同温度水中传输速度的非线性曲线进行温度补偿。由于超声波热表安装在供暖系统的进水回路中，可以利用进水温度对超声波传输速度的非线性进行实时补偿。

温度检测是通过热电阻作为传感器进行温度测量的。检测过程是通过把被检测回路的放电时间与参考回路的放电时间进行比较，通过放电时间差求得被测回路电阻参数的大小，再根据热电阻与温度的分度表得到温度的数值。由于铂电阻的阻值与温度之间关系具有一定的非线性，在温度检测时必须进行非线性校正。

以PT1000为例,某PT1000温度传感器在0℃时电阻为1000.330Ω，50℃时电阻为1194.310，100℃时电阻为1385.430Ω。非线性表现在温度低时阻值变化率大于温度高时的阻值变化率。由于铂电阻传感器的非线性表现不很明显，可以采取分段调整的方法实现补偿。

利用TDC-GP1进行温度检测时，可以采取比较测量和调整校正参数的方法来克服供电电压和环境温度导致的电容参数变化对检测精度的影响。由于TDC-GP1设置了专用的RLC测试电路接口，可以直接自动切换模拟开关，把不同检测通道的被测电阻与同一个电容组成各自的放电回路，在短时间内完成各个检测通道的时间检测。软件把各个被测通道的放电时间与参考回路的放电时间进行求差计算，可以求得被测回路电阻参数的具体数值。虽然测得的数据是回路的放电时间差，但利用TDC-GP1的硬件自动校正功能，通过选择恰当的校正因子自动校正后，可以直接读出对应的温度值。超声波热表中涉及进水温度和回水温度两个温度检测，其温差值将直接参与热量的计算，所以温差值的检测精度将直接影响热量的计量精度。由于TDC-GP1的温度检测是利用同一个电容在短时间内先后完成进水温度、回水温度和参考回路的放电时间测量，再通过求差值的方法求解检测温度值，所以该方法使供电电压波动对检测精度的影响相互抵消。

已知温度检测参考回路的元件参数，选择高精度电阻的情况下，如果系统参考回路的检测结果发生变化，说明检测回路的放电电容参数发生了变化，由于该电容为各个被测回路及参考检测回路的公用放电电容，如不及时调整将直接影响实际温度参数的检测精度。在本超声波热表软件设计中通过动态调整TDC-GP1温度检测的乘积因子，可以对参数的变化进行动态补偿，确保经过校正后的参考通道的检测数值基本保持为常数，进而减小电容参数变化对温度检测精度的影响。

4.实验及结果

由于对热量表的标定比较复杂，因此将TDC-GP1超声波热表的测试数据与标准仪器对温度的测试数据进行了比较，实验数据说明超声波热表的测量数据与标定系统的数据读数非常接近，温度误差小于0.04℃。通过实际供热管道的测试，TDC-GP1超声波热表的测量误差小于±1.2%，测量精度较高。对系统功耗进行测试和估算，检测时间为1秒/次，工作时间为1ms，休眠时间为999ms，则热量表的平均工作电流不超过36μA，休眠时电流小于6.5μA，平均功耗小于0.13mW。

【参考文献】

［１］金海龙，潘勇．新型智能热量表的开发研究[J]．传感技术学报，2005，18(2)：350-352．

［２］仝卫国，郭友瑞．非接触式超声热量计的设计[J]．传感器技术，2005，24(1)：48-49．

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