超声波热量表芯片UTA6905的相差法流量测量原理

　　1.概述

　　近年来我国提出建筑节能计划，逐步实现分户计量收费制度。供热计量正在逐渐成为技术研究的热点，户用超声波热表以低功耗、高精度越来越受关注。超声流量计量实现了非接触式高精度测量，因此有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度高的优点。目前的主要的超声流量计量技术是时差法和相差法。时差法超声流量计就是根据介质的流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，根据流速与其线性关系，可以求出瞬时流速，进而可以求出瞬时流量。而相差法则是通过某种技术手段，得到顺逆流回波信号的相位差信息，推算出超声波顺逆流的传播时差。2014年8月，北京美科芯科技有限公司联合美国ICCI公司共同发布了业界首款基于相差法的智能超声波热量表专用芯片UTA6905，本文主要介绍UTA6905芯片的相差法超声流量计量原理。

　　2.相差法超声流量计量原理相差法

　　超声波热量表测量系统利用超声波相差法测量当前管道中的流量值，同时利用温度传感器测量入口水温和出口水温，通过热量计算就可得出当前住宅所使用的热量。UTA6905芯片利用相差法完成对管道中流量的测量，是通过测量超声波在顺流和逆流传播产生的相移之差。超声波流量测量原理如图1所示。

　　

　　图1：超声波流量测量原理

　　图1中流量管道直径为D，两个换能器之间的水平距离为L，超声波在水中的传输速度为c，管道中流体速度为v，可以得到超声波在顺流中的渡越时间t1和逆流传播过程中的渡越时间t2分别为：

　　

　　

　　3.UTA6905热量计量原理

　　UTA6905芯片中的相差测量单元利用相差法超声波流量计量技术测量出管道中水的流量，同时温度测量单元测出进口水温和出口水温，然后就可以根据公式计算出住宅使用的热量。

　　3.1 UTA6905相位差测量单元

　　UTA6905芯片利用顺流方向和逆流方向回波信号的相位差来实现流速的测量，在实际应用中，顺逆流相差不会超过1个1MHz的周期，相差法流量计量单元的电路原理图如图2所示：

　　

　　图2:UTA6905相差法流量计量单元电路原理图

　　顺逆流的测量是先后进行的，因此不能直接得到两组回波的相位差，UTA6905分别测量顺逆流回波信号相对于同一个内部参考信号的相位差，由外部MCU读取两个值并计算顺逆流的相位差，图3所示为UTA6905相差法流量测量原理。

　　

　　图3:UTA6905芯片相差法原理

　　内部参考信号为1MHz，占空比75%的方波，与FIRE脉冲同步。

　　回波信号经过比较器整形为方波，该比较器为斩波比较器，每次测量前都会自动校准，保证OFFSET在1mV范围内。

　　回波信号和内部参考信号进入鉴相器，输出相位差脉冲，相位差是回波的上升沿到参考信号的下降沿之间的时间，如果回波信号上升沿超前于参考信号下降沿（落在参考信号高电平区间），则相位差为正值，否则（落在参考信号低电平期间）为负值，UTA6905测得的相位差脉冲的宽度范围为 （-250ns，750ns）。

　　对相位差脉宽的测量是通过高分辨率的TDC（单精度64ps，双精度32ps）进行的，TDC可以连续测量多达31个相位差脉冲的宽度，ALU对这些宽度的值进行累加积分，进行校准并将结果存放在寄存器RES0中，此时RES0是一个有符号数，可以指示出回波脉冲是超前还是滞后于参考信号。

　　一次顺流和逆流相位差测量完成后，外部MCU读出两次相差值，通过计算得到顺流和逆流的时间差。

　　3.2温度测量单元

　　针对于热量计领域，设计了一基于TDC技术的高精度低功耗温度测量单元，该单元是通过温度传感器电阻或精密电阻对电容充放电，TDC通过测量放电时间的方式来实现温度测量。

　　

　　

　　图4：温度测量原理示意图

　　如图4所示，温度测量单元支持PT1-PT4四个测量端口。

　　在温度测量应用中，当测量电阻进行充放电时，如果使用外部施密特触发器，需要将NEG_STOP_TEMP设置为0，如果使用内部施密特触发器，需要将NEG_STOP_TEMP寄存器设置为1，两种情况分别对应的电路连接如图5所示。

　　

　　

　　图5：温度测量原理示意图

　　温度传感器的最小阻值为500Ω。UTA6905测量出由每个电阻和电容组成的RC网络的放电时间。温度测量的精度为0.002°C。

　　微控制器发送代码“START_TEMP”启动温度测量，UTA6905自动控制温度测量，测量完成之后中断标志置位，测量数据被存储在RES0～RES3 中。

　　从Res_1/RES_0和RES_2/RES_3中微控制器可以计算出Rtemp/Rref的比值。通过查表，可以计算出当前的传感器的温度，注意UTA6905不支持4线的温度传感器。

　　4. 总结

　　本文主要介绍了UTA6905芯片的相差法流量计量原理，由于存在相位差累加积分，相差法对于偶然误差和干扰误差的消除具有较强的优势，特别是在流量测量过程中，相差法提供的数据是进行滤波算法之后的平均值，波动性更小，更接近真实流量，提高了测量精度，具有广阔的应用前景。