崔永俊,張彬彬,楊 兵

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

基于時(shí)差法和TDC-GP2的超聲波熱量表設(shè)計(jì)

崔永俊1,2*,張彬彬1,2,楊 兵1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

為了實(shí)現(xiàn)高精度的熱量值測(cè)量,設(shè)計(jì)了基于TDC-GP2的時(shí)差法超聲波熱量測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用超聲波換能器和鉑電阻溫度傳感器PT1000為敏感單元,TDC-GP2為測(cè)試單元,結(jié)合FPGA與上位機(jī),最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)流量測(cè)量誤差在±0.5%以?xún)?nèi),溫度測(cè)量偏差不超過(guò)0.5 ℃,熱量值測(cè)量誤差優(yōu)于±0.3%,達(dá)到了《熱能表檢定規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)。

時(shí)差法;鉑電阻溫度傳感器;超聲波換能器;TDC-GP2;上位機(jī)

近年來(lái),政府一直推動(dòng)供暖收費(fèi)制度改革,大力推廣分戶(hù)計(jì)量、按量收費(fèi)的方式。隨著這種供暖收費(fèi)方式的推廣,必然會(huì)使用大量的熱量表。超聲波熱量表是隨著超聲波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型熱量表,該熱量表測(cè)量精度高且受水質(zhì)影響較小,逐漸取代了傳統(tǒng)的旋翼式熱量表,成為熱量表市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。熱量表測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性、能耗及價(jià)格,成為決定產(chǎn)品是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)準(zhǔn)。因此,設(shè)計(jì)一款高精度、低功耗、低成本的超聲波熱量表具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 熱量測(cè)量原理

系統(tǒng)應(yīng)用一對(duì)超聲波換能器在流體中交替收發(fā)超聲波信號(hào),通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)在流體中順流和逆流傳播的時(shí)間,由時(shí)間差Δt間接算出累積流量qv;應(yīng)用一對(duì)鉑電阻溫度傳感器PT1000,測(cè)量入水口和出水口的溫度值。由測(cè)得的累積流量和溫度值,根據(jù)式(1)計(jì)算出Δt時(shí)間內(nèi)的熱量值[1]。熱量計(jì)算公式如下:

Q=qvρ(hf-hθ)Δt

(1)

式中:ρ為出水口密度值,由出入口溫度值查表可得;hf和 hθ為進(jìn)水口、出水口焓值。

1.1 流量測(cè)量

系統(tǒng)采用時(shí)差法進(jìn)行流體流量的測(cè)量,當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí),搭載了流體的流速,通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中順逆流的時(shí)間差間接測(cè)量流度,再通過(guò)流速計(jì)算出流量。選用ACAM公司的TDC-GP2芯片作為熱量表的測(cè)量單元[2];FPGA作為控制單元,對(duì)TDC-GP2芯片進(jìn)行寄存器的配置和數(shù)據(jù)的讀取;UART作為軟硬件接口。

圖1為進(jìn)水口超聲波熱量測(cè)量系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)圖[3],上、下游換能器以Z字法形式安裝在測(cè)量管道上,角度為θ,管道的內(nèi)徑為d,上、下游換能器的傳播路徑為L(zhǎng)。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量時(shí),上、下游換能器交替作為超聲波發(fā)射和接收端,順逆流的傳播時(shí)間為:

(2)

由式(2)可得順逆流的時(shí)間差為:

(3)

由式(3)可以推出流速v為:

(4)

流量的計(jì)算公式為:

(5)

測(cè)量超聲波順流傳播時(shí)間時(shí),設(shè)置上游換能器為發(fā)射狀態(tài),下游換能器為接收狀態(tài),通過(guò)FPGA控制TDC-GP2芯片從Fire1管腳輸出脈沖信號(hào),激勵(lì)上游換能器發(fā)出超聲波信號(hào),同時(shí)觸發(fā)Start管腳。由于TDC-GP2芯片不能識(shí)別超聲波信號(hào),當(dāng)下游換能器接收到超聲波信號(hào)后,必須先對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理,接收到的超聲波信號(hào)先經(jīng)過(guò)放大濾波電路去除一些干擾噪聲,然后通過(guò)運(yùn)算放大器組成的閾值比較電路,輸出TDC-GP2芯片能夠識(shí)別的矩形波脈沖信號(hào)。Stop管腳被觸發(fā)后,TDC-GP2芯片內(nèi)部高速單元開(kāi)始測(cè)量時(shí)差,當(dāng)FPGA檢測(cè)到一次中斷INTN信號(hào)時(shí),表示一次時(shí)差測(cè)量完成[4]。測(cè)量超聲波逆流傳播時(shí)間時(shí),將上游換能器設(shè)置為接收狀態(tài),下游換能器設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)即可。

1.2 溫度測(cè)量

在流體流速一定時(shí),TDC-GP2對(duì)圖1中電容C1、C2對(duì)參考電阻R1、R2和溫度傳感器PT1000的放電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量[5],通過(guò)FPGA將測(cè)量數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)按照式(6)換算后作為流體的溫度值。設(shè)計(jì)中,測(cè)量單元TDC-GP2寄存器bit7設(shè)置為0,即溫度測(cè)量開(kāi)始時(shí)進(jìn)行2次虛擬測(cè)量,bit8設(shè)置為0,即溫度測(cè)量的周期為150 μs,bit9設(shè)置為1,即使用2個(gè)溫度傳感器。整個(gè)溫度測(cè)量的原理圖如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)量原理圖

測(cè)量時(shí),上位機(jī)控制FPGA發(fā)送控制字0x02,啟動(dòng)溫度測(cè)量。TDC-GP2自動(dòng)進(jìn)行4次測(cè)量,測(cè)量完成之后中斷標(biāo)志INTN置位,4次測(cè)量結(jié)果RES_0,RES_1,RES_2,RES_3存儲(chǔ)在寄存器0～3中。進(jìn)水口PT1000的電阻值Rh與R1,出水口PT1000的電阻值Rc與R2有如下關(guān)系:

(6)

根據(jù)上式可以算出進(jìn)水口和回水口溫度傳感器的電阻值Rh和Rc,通過(guò)查PT1000電阻值溫度分度表可以得到進(jìn)水口與出水口的水溫T1、T2。

2 關(guān)鍵技術(shù)

溫度值和流量值都是先通過(guò)專(zhuān)用時(shí)差測(cè)量芯片TDC-GP2對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量[6],然后通過(guò)FPGA將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),最后在上位機(jī)上按照相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算來(lái)完成的。TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司繼TDC-GP1后推出的新一代時(shí)差測(cè)量芯片,它有兩種工作模式。工作模式1:兩路Stop通道共用一路Start通道,最低有效位為65ps,測(cè)量范圍:2.0 ns～1.8 μs;工作模式2:只有一路Stop通道對(duì)應(yīng)Start通道,最低有效位也是65 ps,測(cè)量范圍:500 ns～4 ms。設(shè)計(jì)中選擇工作模式1,采用雙片TDC-GP2設(shè)計(jì)時(shí)間間隔測(cè)量電路,其測(cè)量時(shí)序如圖3所示。

圖3 時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)序圖

圖4 TDC-GP2外圍電路連接圖

如圖3所示,Start作為時(shí)間間隔的開(kāi)始信號(hào),Stop作為時(shí)間間隔的結(jié)束信號(hào),Ref為測(cè)量模塊的基準(zhǔn)時(shí)鐘,其周期為T(mén)ref,t1和t2為精細(xì)測(cè)量結(jié)果,由TDC的高速單元完成測(cè)量,Coarsecount為粗計(jì)數(shù)結(jié)果,由FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器完成測(cè)量。當(dāng)時(shí)間間隔的Start信號(hào)和Stop信號(hào)位于同一個(gè)參考時(shí)鐘內(nèi)時(shí),TDC-GP2只能測(cè)出t1、t2中的一個(gè)時(shí)間量,所以將Stop信號(hào)延時(shí)m個(gè)參考時(shí)鐘周期后再進(jìn)行測(cè)量。時(shí)間間隔可以表示為:

time=Tref×[Cc+(t1-t2)]/(Cal1-Cal2)-mTref

(7)

TDC-GP2工作模式1的測(cè)量范圍為2.0 ns～1.8 μs,當(dāng)待測(cè)時(shí)間間隔超過(guò)1.8 μs時(shí),即Start信號(hào)上升沿與Stop信號(hào)上升沿不同時(shí)位于該測(cè)量范圍內(nèi)時(shí),t1和t2就無(wú)法被同時(shí)測(cè)量到,而TDC-GP2完成一次測(cè)量大概需要5 μs,這樣就會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的工作死區(qū)。系統(tǒng)中采用雙TDC-GP2芯片的設(shè)計(jì),分別對(duì)t1、t2進(jìn)行測(cè)量,t1、t2的測(cè)量互不影響,消除了工作死區(qū),同時(shí)將系統(tǒng)測(cè)量量程由1.8 μs擴(kuò)大到了1 s。

3 硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 TDC-GP2外圍硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用ACAM公司的TDC-GP2芯片作為熱量表的測(cè)量單元,TDC-GP2是專(zhuān)用的時(shí)間間隔測(cè)量芯片,它的測(cè)量分辨率為65 ps,比Agilent的53132A計(jì)數(shù)器和斯坦福的SR60計(jì)數(shù)器分辨率都高,而且具有良好的功能性,包括精確的溫度測(cè)量、高速脈沖發(fā)生器、時(shí)鐘校準(zhǔn)、4線SPI串行通信接口、微處理器以及一個(gè)傳感驅(qū)動(dòng)與接收器,非常適合用于低成本超聲波熱量計(jì)設(shè)計(jì)。

圖4為T(mén)DC-GP2芯片的外圍連接電路圖[7],TDC-GP2芯片外接兩個(gè)晶振,其中4 MHz高速晶振用于時(shí)鐘校準(zhǔn)以及在工作模式2中作為時(shí)間測(cè)量單元的一部分,32.768 kHz晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘用來(lái)控制高速時(shí)鐘和進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)用。工作模式2中只有一個(gè)Stop通道開(kāi)通,所以En_Stop2、Stop2管腳接地。Fire1、Fire2接超聲波換能器,PT1、PT4接PT1000鉑電阻溫度傳感器,分別測(cè)量進(jìn)水口和回水溫度,PT2、PT3接參考電阻,LoadT管腳用于對(duì)電容C1進(jìn)行充電,SenseT管腳用于感應(yīng)電容C1放電結(jié)束,SPI總線引腳SSN、SCK、SI、SO經(jīng)過(guò)排阻分別與FPGA的P1到P4引腳相連。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的FPGA嵌入式程序和用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的上位機(jī)程序,主要實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)TDC-GP2芯片的控制,并將TDC-GP2測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

系統(tǒng)上電后,通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)FPGA發(fā)送Start命令,FPGA檢測(cè)到Start信號(hào)后復(fù)位并向TDC-GP2發(fā)送0x50操作碼復(fù)位TDC-GP2,復(fù)位完成后對(duì)TDC-GP2寄存器進(jìn)行配置,配置完成后FPGA發(fā)送Start_Cal_Resonator命令對(duì)TDC-GP2進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn),FPGA檢測(cè)到TDC-GP2返回的INTN標(biāo)志位置低表示校準(zhǔn)完成,發(fā)送讀操作碼可以讀取校準(zhǔn)結(jié)果,TDC-GP2內(nèi)部集成的微處理器能夠把這個(gè)測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較后計(jì)算出修正因數(shù)488.28125/RES_0。時(shí)鐘校準(zhǔn)完成后,FPGA發(fā)送Start_Temp操作碼進(jìn)行一次溫度測(cè)量,檢測(cè)到中斷INTN置低后,FPGA發(fā)送0xB4操作碼讀取結(jié)果寄存器檢測(cè)是否溢出,如果沒(méi)有溢出,讀取結(jié)果寄存器中數(shù)據(jù),即一次溫度測(cè)量完成。然后進(jìn)行流量測(cè)量,先發(fā)送0x70初始化TDC-GP2,初始化后發(fā)送0x01觸發(fā)脈沖發(fā)生器,檢測(cè)到INTN置低后,FPGA發(fā)送0xB4操作碼讀取結(jié)果寄存器檢測(cè)是否溢出,如果沒(méi)有溢出,配置寄存器Reg1為0x81314400,計(jì)算HIT2-Start,由于每次測(cè)量大約需要4.6 μs,所以配置完后等待5 μs,配置寄存器Reg1為0x81414400,計(jì)算HIT3-Start,等待5 μs后讀取結(jié)果寄存器中數(shù)據(jù),然后切換上、下游超聲波換能器的收發(fā)狀態(tài)再進(jìn)行一次時(shí)差測(cè)量,測(cè)量完成后,對(duì)溫度和流量測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀并通過(guò)UART發(fā)送給上位機(jī)。多次測(cè)量后取平均值,上位機(jī)按照式(5)、式(6)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并顯示。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

流量測(cè)量試驗(yàn)采用的管道內(nèi)徑為12 mm,超聲波換能器在管道上的安裝角度為30°,將樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與光華愛(ài)而美特公司的IFS4000系列15 mm口徑電磁流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,IFS4000測(cè)量范圍0～3 m3/h,最大誤差為0.1%(表1)。

表1 流量測(cè)量數(shù)據(jù)

溫度測(cè)量以電子溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn),在穩(wěn)定流速條件下,進(jìn)行多組測(cè)量并對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均后得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度測(cè)量數(shù)據(jù) ℃

在實(shí)際測(cè)量中,由于管道內(nèi)流體在不同流速下波動(dòng)特性不同以及測(cè)試環(huán)境的影響,單次測(cè)量的數(shù)據(jù)是一直跳動(dòng)的,所以表1和表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)都是對(duì)100次測(cè)量結(jié)果取平均后得到的,這樣可以減小隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響。表1中,流量測(cè)量值與IFS4000測(cè)量值的相對(duì)誤差在±1.5%以?xún)?nèi);表2中,溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差不超過(guò)0.5 ℃,根據(jù)式(1)可得,熱量值的測(cè)量誤差在±0.3%以?xún)?nèi),優(yōu)于國(guó)家《熱能表檢定規(guī)程》中規(guī)定的最大允許誤差±(0.5+Δtmin/Δt)%[8]。

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)高精度的熱量測(cè)量,設(shè)計(jì)了一種高精度、高分辨率的超聲波熱量系統(tǒng)。系統(tǒng)選用最小時(shí)差測(cè)量分辨率達(dá)65 ps的TDC-GP2芯片,實(shí)現(xiàn)了流量和溫度的測(cè)量。經(jīng)過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)流量測(cè)量誤差在±0.5%以?xún)?nèi),溫度測(cè)量偏差不超過(guò)0.5 ℃,熱量值測(cè)量誤差優(yōu)于±0.3%,測(cè)量精度達(dá)到了熱量表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具有一定的推廣價(jià)值和很好的市場(chǎng)前景。

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Design of Ultrasonic Heat Meter Based on Time Difference Method and TDC-GP2

CUIYongjun1,2*,ZHANGBinbin1,2,YANGBing1,2

(Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test,National key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to achieve high precision of calorific value measurement,the design of ultrasonic heat measurement system is based on TDC-GP2. The system uses platinum resistance temperature sensor PT1000 and ultrasonic transducer as sensitive units,TDC-GP2 as testing unit,and the combination of FPGA and PC to realize the acquisition,processing and transmission of data. Through the test,the maximum measurement error is less than 3%,the maximum error of temperature measurement is less than 0.5 ℃,Calorific value measurement error is better than 0.3%.

time difference method;platinum resistance temperature sensor;ultrasonic transducer;TDC-GP2;pc

2016-03-04 修改日期:2016-04-13

TN79

A

1005-9490(2017)03-0737-05

C:7820

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.044