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作者: 冉建輝 1. 概述 電子式水表，也稱智能水表，是指具備預付費功能或遠傳功能的水表，它是微電子技術、現代傳感技術和智能IC卡技術結合的產物，在數據傳遞及交易結算方面，電子式水表比傳統水表在抄表方式和數據統計方面都有很大優勢，電子式水表應符合國家GB/T778-2007《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》和住建部CJ/T224-2012《電子遠傳水表》的技術要求。所謂超聲波電子式水表是指該類電子水表的流量計量采用超聲波技術方案，和傳統基于葉輪旋轉的機械式流量采集方案相比，超聲波水表具備機械結構簡單，計量過程無壓力損耗，流量采集精度受水質影響小，量程寬的優點。對于家用小口徑表，目前國外品牌的超聲波水表精度和價格都比較高，國內的研發雖然初級階段，但可以觀察到近一兩年來主流水表廠商的研發力度不斷加大，已經有產品推出市場，隨著階梯水價的實施以及國家對物聯網的深入推廣，超聲波電子式水表將迎來廣闊的市場前景。 在現有超聲波水表技術方案中，大體包含噪聲法、相關法和傳播速度差法三種，基于精度、功耗、可實現性方面的考慮，速度差法是目前較為成熟的一種方式，隨著微電子技術的不斷進步，一系列可用于超聲波水表的專用芯片不斷推出，例如ACAM公司的GP22，ICCI公司的UTA6903B等。ICCI于2014年推出了一款超聲波流量計量芯片UTA6905，具備更高的測量精度和穩定性，本文將詳細介紹UTA6905在超聲波電子式水表中的應用。 2. 超聲波流量測量原理 采用超聲波進行流量測量的基本原理是利用超聲波在順逆流流體中的傳播時差，推算出流體的速度，再根據面積積分法推算出當前的瞬時流量，對瞬時流量進行積分計算出累積流量，計算過程中還需要考慮溫度對聲速的影響等。 
圖1:超聲波流量測量原理 圖1所示，管道上安裝有一對換能器：順流換能器和逆流換能器，管道直徑為D，超聲波聲程為L，順流傳播時間為tu，逆流傳播時間為td，超聲波傳播防線與流體方向夾角為θ，根據速度的疊加原理，在水流速度v的作用下，超聲波順流傳播時間要比逆流傳播時間短，其時間差可以計算出來。
公式4得到的速度v是沿聲道方向的線平均速度，由于流體的流速沿管道直徑的不均勻分布，線平均速度v并不等于實際的流速，需要乘上流速分布修正系數k，才能得到截面的平均流速，再乘以管道的截面積，得到瞬時流量Q。
圖2：超聲波在純水中的傳播速度與溫度的關系 從公式4看，流體流速v是聲速c和傳播時差△t的函數，因為超聲波在水中的傳播速度c是一個隨溫度變化的值，如圖2所示。所以在超聲波水表中，除了對順逆流傳播時差△t進行測量，還需要對流體溫度進行測量，通過查表得到當前溫度下的超聲波傳播速度c。 在公式5中，流速分布修正系數k代表管道內流體的面平均速度與超聲波水表測量到的線平均速的的比值，k的取值與雷諾系數Re有關，但關系復雜，在整個流量范圍內呈現明顯的非線性特點，主要原因在于隨著流速由慢至快，流體會經過層流、過渡流和紊流的不同區域，各個區域呈現不同的流速分布，實際中常采用擬合直線方程的方式[3]對k值進行分段校正，將測量誤差降低至標準之內，這個過程一般在產品量產的校表環節進行。 3. 基于UTA6905的超聲波水表流量采集方案 3.1. UTA6905芯片簡介 UTA6905是一款超聲波流量表和超聲波熱量表的專用芯片，其內部結構如圖3所示，集成了相位差測量單元、溫度測量單元、脈沖發生器等設計超聲波電子式水表必需功能，芯片采用了先進的時間數字轉換技術，對時差的測量分辨率可達32ps，溫度測量單元分辨率高達0.002℃；此外芯片還集成了第一波檢測、換能器回波振幅檢測、換能器斷線檢測等額外功能，使水表可以完成部分自診斷功能，智能化水平得以提高。
圖3:UTA6905內部結構圖 UTA6905采用QFN32或LQFP32兩種封裝；芯片采用SPI口與外部MCU進行通信，內部包含4個32位的配置寄存器、4個32位的結果寄存器以及1個32位的狀態寄存器；UTA6905還包含一個低電平有效的中斷引腳INTN，可用于在測量結束后喚醒外部MCU；比較器和時間測量單元等功耗比較大的元件只有在工作時才開啟，在應用中大部分時間處于休眠狀態，靜態電流低至納安級別，適用于電池供電場合，UTA6905的詳細資料可以參考其數據手冊[1]，不再贅述。 3.2. 基于UTA6905的電子水表流量采集方案 采用UTA6905設計的超聲波電子式水表方案框圖如圖4所示，給出了詳細的流量采集相關的外圍電路：時鐘部分包括一個32768HZ的晶體振蕩器和一個4MHz的陶瓷振蕩器，相位差測量電路需要一對諧振頻率1MHz的超聲波換能器和一對由電阻電容構成的信號通路，溫度測量電路需要一只PT1000熱電阻、一只低溫漂(50ppm)的1K歐姆電阻和一只100nF充放電電容，主控芯片選擇了一款低功耗的MSP430系列MCU，通過IO口連接UTA6905的SPI引腳和中斷引腳；此外還包括電源穩壓電路、LCD顯示電路，通信方面可支持紅外、MBUS等功能，以實現無線抄表或數據的遠傳。
圖4:UTA6905流量采集方案 順流回波與逆流回波在兩次方向相反的收發過程中先后出現的，因此無法直接測量兩次回波的相位差脈沖，UTA6905利用相差法原理是通過分別測量順逆流回波相對于同一個參考信號的相位差，間接推算出順逆流回波的相位差，最后得到的相位差和時間差實際上是一致的，UTA6905與目前主流的時差法芯片另一個重要區別在于它可以在一次順逆流測量流程中記錄多達31個回波的相位差并進行自動積分運算，起到了提高精度的作用，而其他的時差法芯片例如GP22等在一次順逆游測量中最多記錄3個脈沖的傳播時間，實際測試也證實了UTA6905測量的精度和穩定性都有明顯的提高。 UTA6905要求選定振幅穩定的回波進行相差測量，測量前首先根據第一波檢測功能確定第一波的到達時間，實測值約為59μs，根據示波器觀察，所選換能器在第14個回波的振幅達到穩定值，因此將第一波的回波時間加上13.5μs，作為回波的延時屏蔽，之后再進行相差的測量，UTA6905第一波檢測和相位差測量的流程分別如圖5和圖6所示。
圖5:第一波檢測流程圖
圖6:相位差測量及時差計算流程圖
圖7:溫度測量流程圖 UTA6905進行溫度測量的流程如圖7所示，外部MCU在配置好寄存器之后發送start_temp命令，中斷信號有效后從結果寄存器讀數即可，如果溫度傳感器發生了開路或短路故障，UTA6905狀態寄存器的相應標志會生效，軟件可以根據狀態值發出報警。國標規定冷水表的介質溫度范圍在0-30℃，為節省MCU存儲空間，對應電阻值到溫度的查找表只需要滿足該溫度范圍即可。 4. 樣機測試 在溫度、流量、計算、顯示等功能調試完畢正常運行后，將3只DN20樣機進行校準，在室溫條件下對三個流量點進度進行測試，誤差數據如表1所示： 表1:樣機測試數據(室溫)
測試結果表明，累積流量的精度在國標二級表誤差允許范圍在要求之內。實測始動流量值為3L/h，整機的平均功耗約為20uA左右, 一節 AA型號的鋰亞硫酰氯電池就可以使整個系統工作6年以上。 5. 總結 UTA6905相差法流量測量芯片具有較高的精度和穩定性，對基于該芯片的電子式水表方案的測試結果表明，測量精度能夠滿足國家對于二級表的要求，功耗能夠滿足長時間電池供電的要求。 6. 參考文獻 [1] ICCI Company. UTA6905數據手冊V1.1 2015. [2] 王賢妮. 皮秒級TDC超聲波流體測量技術的研究及實現. 南昌大學, 2013. [3] 姚靈, 王讓定, 左富強,羅永. 單聲道超聲水表測量特性分段校正方法的研究. 計量學報, 34(5). 2013 |
