一种用于时差法超声波热能表的高精度测时方法

        在建设节能型社会需求的推动下，实现按热能表分户计量收费的热能检测技术成为目前研究的热点。而超声波流量检测技术的流量测量精度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，在热能表研究中成为首选。但使用超声波进行测量时顺流和逆流的时差十分微小( 通常是纳秒级) ，而普通的微处理器指令一般都是数十纳秒或微秒级，所以很难测得其精确时间。笔者提出一种新型 П 型管技术延长超声波声程，同时采用高精度时间测量芯片 TDC-GP2，提高时间测量的准确性和可靠性，实现了用时差法精确地测量液体流量的目的。①

　　1 时差法超声波检测流量原理

　　超声波在流动的液体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而转换成流量。“V”字形超声波时差法测流原理[1]如图 1 所示。

　　由以上分析可以看出，对超声波在介质中的传播时间 tup、tdown的测量精度将直接影响流速测量的精度，进而影响流量的测量精度，所以高精度的时间测量方法是整个测量系统的关键。

　　2 硬件设计

　　2. 1 测量系统组成

　　设计中主要采用德国 ACAM 公司的高精度测量芯片 TDC-GP2，这部分主要实现两方面的功能，其结构框图[2]如图 2 所示。

　　测量超声波信号在一般流速的液体中顺流传播和逆流传播时间的功能———首先测量顺流方向上的传播时间，然后在切换电路的控制下改变超声波信号的传播方向，再测量逆流方向上的传播时间，以实现测量超声波信号顺流和逆流传播时差的目的。

　　测量热水在进水管和回水管的温度的功能———设计中基于电容放电原理，通过外围放电电路，测量电容分别对温度传感器电阻和参考电阻的放电时间，然后通过查表匹配得到相应的温度值。

　　2. 2 超声波高精度时差测量电路

　　热能表高精度时差测量电路[3，4]的设计中所采用的核心元件是高精度时差测量芯片 TDC-GP2，它通过四线 SPI( 串行外围设备接口) 接口与处理器进行数据交互，数据交互必须严格按照时序的要求进行，时序由软件模拟产生。在进行时差或者温差测量时，处理器先要对内部寄存器进行配置，然后通过对寄存器的控制和发送特殊命令以实现相应的功能。时差测量电路主体由 16位超低功耗单片机 MSP430F413 与高精度测量芯片 TDC-GP2 组成，电路原理图如图 3 所示。

　　2. 3 时间间隔测量原理