超聲波熱量表的最佳解決方案--acam TDC-GP2方案

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)城鎮(zhèn)居民采暖一般按住宅面積而不是實(shí)際用熱量收費(fèi)，導(dǎo)致用戶(hù)節(jié)能意識(shí)差，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，顯然該計(jì)量方法缺乏科學(xué)性。隨著能源短缺，國(guó)家提倡節(jié)能減排，這種粗放式的供暖方式嚴(yán)重違背了環(huán)保概念，隨之而來(lái)的是分戶(hù)計(jì)量，按需取暖的供暖方式。

在八十年代初，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的熱量表使用已相當(dāng)普遍，熱力公司以熱量表作為計(jì)價(jià)收費(fèi)的依據(jù)和手段，節(jié)能20％～30％。作為建筑節(jié)能的一項(xiàng)基本措施，國(guó)家建設(shè)部已將熱量計(jì)量收費(fèi)列入《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃》：對(duì)集中供暖的民用建筑安裝熱表及有關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備并按戶(hù)計(jì)量收費(fèi)的工作，1998年通過(guò)試點(diǎn)取得成效，開(kāi)始推廣，2000年在重點(diǎn)城市新建小區(qū)推行，2010年全面推廣。

目前計(jì)量改革正在逐步展開(kāi)，供熱改革也在同時(shí)進(jìn)行。而作為計(jì)量改革中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，分戶(hù)計(jì)量的熱量表也迎來(lái)了一個(gè)非常好的發(fā)展時(shí)期。

不同性能的熱量表分析

目前市場(chǎng)上的熱量表有多種，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類(lèi)。

按物理特性可分為有磁熱量表和無(wú)磁熱量表。所謂“有磁熱量表”是指在流量信號(hào)采集上采用磁性（磁鐵）傳感器，如“韋根”，“霍爾”，“干簧管”等?，F(xiàn)在“霍爾、干簧管“采集信號(hào)已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰。通常所說(shuō)的有磁一般都指“韋根”熱量表。而“無(wú)磁熱量表”是指熱量表在流量信號(hào)采集上利用電感振蕩原理或超聲波原理取得的，沒(méi)有任何磁鐵及磁性物質(zhì)。

由于國(guó)內(nèi)供暖環(huán)境差，熱水中摻雜著大良的雜質(zhì)，其中包括金屬等，這對(duì)于“有磁熱量表”來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，以至于目前“有磁熱量表”在國(guó)內(nèi)沒(méi)有市場(chǎng)，現(xiàn)在使用的基本都是“無(wú)磁熱量表”

按機(jī)械特性分，則可分為機(jī)械式、機(jī)電式和電子式。其中機(jī)械式是指整個(gè)表都為機(jī)械部件組成，無(wú)電子元件。這種類(lèi)型技術(shù)門(mén)檻低，價(jià)格便宜，是早前的主流產(chǎn)品，但它的抗干擾能力差，機(jī)械齒輪容易被雜質(zhì)卡住或損壞，且不適應(yīng)電子化潮流。為克服以上種種問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了改進(jìn)型的機(jī)電式熱能表。機(jī)電式是在機(jī)械式表的基礎(chǔ)上增加電子顯示、計(jì)費(fèi)、抄表等功能模塊。但它始終只是在機(jī)械表的基礎(chǔ)上加電子控制板發(fā)展而來(lái)，無(wú)法解決抗干擾能力差的問(wèn)題。

全新的電子式熱能表在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。電子式則是指整個(gè)表全由電子器件組成，無(wú)機(jī)械部分，不存在損壞和卡表的故障，抗干擾能力強(qiáng)，在擴(kuò)展和升級(jí)方面很方便，符合市場(chǎng)發(fā)展方向。

超聲波熱量表

電子式熱能表取代傳統(tǒng)熱能表成為主流已呈明顯趨勢(shì)，而在電子式領(lǐng)域中，超聲波技術(shù)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)深受歡迎。

超聲波熱量表（Ultrasonic Heat meter）是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測(cè)量，由流體的流量和供、回水溫差來(lái)計(jì)算出向用戶(hù)提供的熱量。

其中流量測(cè)量部分是應(yīng)用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。如圖2所示：

獲得流量后，再通過(guò)分設(shè)在進(jìn)水管和出水管上的兩個(gè)溫度傳感器，分別測(cè)出進(jìn)水的溫度和出水的溫度，算出進(jìn)出水的溫差。利用流量傳感器對(duì)供水管道的瞬時(shí)熱水流量 Q進(jìn)行計(jì)量，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的累計(jì)，便得到用戶(hù)消耗的熱量值。

目前，在電子式領(lǐng)域中存在兩種超聲波熱能表方案，下面對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析，如圖示：

圖6  GP2方案

該方案的核心是ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的時(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到65ps，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測(cè)量保障；TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測(cè)量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP2測(cè)量的低功耗特性使得流量計(jì)的整體功耗大幅降低，為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案。

使用TDC-GP2的超聲波流量計(jì)方案相對(duì)于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，只需搭配MCU和簡(jiǎn)單的比較器、模擬開(kāi)關(guān)元件就可完成控制和時(shí)間測(cè)量回路的設(shè)計(jì)。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化的同時(shí)大大縮小了設(shè)備的PCB面積，使設(shè)備的生產(chǎn)、維護(hù)也更加方便容易。

TDC-GP2還帶有兩路溫度測(cè)量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，這為熱量表的應(yīng)用提供了集成化的解決方案。

GP2的優(yōu)勢(shì)：

1、  高精度分析：TDC-GP2的單次時(shí)間間隔測(cè)量的典型精度為 65ps,也就是說(shuō)內(nèi)部通過(guò) 1個(gè)邏輯門(mén)的時(shí)間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性。通過(guò)多次平均測(cè)量可以使時(shí)間測(cè)量的典型精度降到10ps左右，這樣的數(shù)據(jù)可以使在測(cè)量很小流量（例如 1.6m3/h）的情況下同樣可以得到非常好的精度。

2、  低功耗分析：GP2 將測(cè)量以脈沖的形式來(lái)進(jìn)行，尤其在超聲波測(cè)量中，TDC 的核心測(cè)量單元并不是時(shí)時(shí)刻刻都在工作的。它只測(cè)量 start 信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿和 stop信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿，而中間的時(shí)間則由通過(guò)計(jì)算時(shí)鐘的周期數(shù)來(lái)完成，這樣的測(cè)量原理使測(cè)量時(shí)間的功耗降到非常低的水平。整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗在3-5μA 的范圍之內(nèi)。如果采用低功耗的微處理器（如 SILBAS公司的 C8051F92x/93x系列），則整臺(tái)設(shè)備的平均電流消耗可以降至 10-15μA。

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