基于TDC-GP2的超声波热量表

　　0　引言

　　目前,国内市场上热量表的流量测量以机械式、电磁式和超声波式为主。机械式和电磁式热量表成本低,但对水质要求较高,热量表的使用寿命很难满足用户需求。超声波式热量表因为没有直接与供暖水接触或是只有非关键部件接触,使用寿命远远超过机械式热量表。但是,目前很多国产超声波热量表都在管道中加装超声波反射支架,这实际上还是无法解决易堵塞、使用寿命较短的问题,没有真正发挥超声波式热量表的优势。因此,设计一款不易堵塞、使用寿命长、功低耗的超声波热量表有重要的现实意义。

　　1　热量表的测量原理

　　热量表采用k系数法计算热量,公式[1]如下:

式中:Q为释放的热量; k为热系数; qV为载热液体流过热量表的累积体积流量;ΔT为热交换系统中载热液体入口处和出口处的温差。

　　热系数k是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数。压力在允许范围内变化对热系数k的影响不大,实际上热量表安装到热水管路的使用过程中,近似于定压状态[2],因此只需要根据温度和温差,查找热系数表即可确定对应的热系数。这样,累积流量和出入口温差的测量就至关重要。

　　1. 1　流量测量

　　流量测量采用超声波时差法,即利用超声波在载热液体中顺流和逆流状态下传输速度不同的原理实现液体流速的测量。工作原理如图1所示。

　　图1中,Tr1和Tr2是两个超声波换能器,采用V型安装,在水中的传播声程为2L,管径为D,则超声波顺流传播时间和逆流传播时间分别为

　　在固定式时差法超声波流量检测中,L和θ是固定不变的,因此被测的流速就主要取决于顺流、逆流传播时间及它们的差值。由此可得瞬时体积流量的计算公式:

　　从式(1)可以看出,出入口温差ΔT是热量计量的重要指标,因此需选用严格配对的铂电阻作为温度传感器。优先选择阻值相对较大的铂电阻,如Pt1000,这样可以提高温度测量的灵敏度,减小导线电阻的影响,并降低功耗[4]。

　　2　热量表的硬件设计

　　2. 1　TDC-GP2

　　TDC为时间数字转换器,可以将时间间隔直接转化为高精度的数字值[5]。TDC-GP2芯片是通用TDC系列的新一代产品,具有ps级的精度,核心供电电压为1·8~3·6 V,外围IO口供电电压为1·8~5·5 V,完全可以使用电池供电,尤其适合于低成本的工业应用和小型测量仪表。TDC-GP2具有四线SPI标准接口,可方便地与微控制器进行数据交互。TDC-GP2具有高速脉冲发生器,单次最多可以发射相位可调的15个脉冲。TDC-GP2可以通过软件设置上升沿/下降沿单独触发或上升沿和下降沿同时触发。在测量范围2中,TDC-GP2的典型分辨率可达50 ps,测量的时间范围500 ns~4 ms;间隔脉冲对的分辨能力为2个校准时钟周期,最多可以进行3次采样,即可以记录下3个停止信号的触发沿的到达时间,而且具有停止信号使能窗口,这个屏蔽窗口的精度达到10 ns,这样可以最大限度的屏蔽干扰信号,准确测得需要的停止信号的触发沿时刻。TDC-GP2还有温度测量单元,最多可以测量4路温度传感器。TDC-GP2的这些特殊功能模块使得它能够应用于高精度时间测量,如超声波流量和热量测量以及激光测距等方面。