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作者: 冉建輝 1. 概述 電子式水表，也稱(chēng)智能水表，是指具備預(yù)付費(fèi)功能或遠(yuǎn)傳功能的水表，它是微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)和智能IC卡技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，在數(shù)據(jù)傳遞及交易結(jié)算方面，電子式水表比傳統(tǒng)水表在抄表方式和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面都有很大優(yōu)勢(shì)，電子式水表應(yīng)符合國(guó)家GB/T778-2007《封閉滿(mǎn)管道中水流量的測(cè)量 飲用冷水水表和熱水水表》和住建部CJ/T224-2012《電子遠(yuǎn)傳水表》的技術(shù)要求。所謂超聲波電子式水表是指該類(lèi)電子水表的流量計(jì)量采用超聲波技術(shù)方案，和傳統(tǒng)基于葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式流量采集方案相比，超聲波水表具備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)量過(guò)程無(wú)壓力損耗，流量采集精度受水質(zhì)影響小，量程寬的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于家用小口徑表，目前國(guó)外品牌的超聲波水表精度和價(jià)格都比較高，國(guó)內(nèi)的研發(fā)雖然初級(jí)階段，但可以觀(guān)察到近一兩年來(lái)主流水表廠(chǎng)商的研發(fā)力度不斷加大，已經(jīng)有產(chǎn)品推出市場(chǎng)，隨著階梯水價(jià)的實(shí)施以及國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的深入推廣，超聲波電子式水表將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。 在現(xiàn)有超聲波水表技術(shù)方案中，大體包含噪聲法、相關(guān)法和傳播速度差法三種，基于精度、功耗、可實(shí)現(xiàn)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(shù)的不斷進(jìn)步，一系列可用于超聲波水表的專(zhuān)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(jì)量芯片UTA6905，具備更高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，本文將詳細(xì)介紹UTA6905在超聲波電子式水表中的應(yīng)用。 2. 超聲波流量測(cè)量原理 采用超聲波進(jìn)行流量測(cè)量的基本原理是利用超聲波在順逆流流體中的傳播時(shí)差，推算出流體的速度，再根據(jù)面積積分法推算出當(dāng)前的瞬時(shí)流量，對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行積分計(jì)算出累積流量，計(jì)算過(guò)程中還需要考慮溫度對(duì)聲速的影響等。 
圖1:超聲波流量測(cè)量原理 圖1所示，管道上安裝有一對(duì)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(zhǎng)，順流傳播時(shí)間為tu，逆流傳播時(shí)間為td，超聲波傳播防線(xiàn)與流體方向夾角為θ，根據(jù)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(shí)間要比逆流傳播時(shí)間短，其時(shí)間差可以計(jì)算出來(lái)。
公式4得到的速度v是沿聲道方向的線(xiàn)平均速度，由于流體的流速沿管道直徑的不均勻分布，線(xiàn)平均速度v并不等于實(shí)際的流速，需要乘上流速分布修正系數(shù)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(shí)流量Q。
圖2：超聲波在純水中的傳播速度與溫度的關(guān)系 從公式4看，流體流速v是聲速c和傳播時(shí)差△t的函數(shù)，因?yàn)槌暡ㄔ谒械膫鞑ニ俣萩是一個(gè)隨溫度變化的值，如圖2所示。所以在超聲波水表中，除了對(duì)順逆流傳播時(shí)差△t進(jìn)行測(cè)量，還需要對(duì)流體溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)查表得到當(dāng)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(shù)k代表管道內(nèi)流體的面平均速度與超聲波水表測(cè)量到的線(xiàn)平均速的的比值，k的取值與雷諾系數(shù)Re有關(guān)，但關(guān)系復(fù)雜，在整個(gè)流量范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性特點(diǎn)，主要原因在于隨著流速由慢至快，流體會(huì)經(jīng)過(guò)層流、過(guò)渡流和紊流的不同區(qū)域，各個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)不同的流速分布，實(shí)際中常采用擬合直線(xiàn)方程的方式[3]對(duì)k值進(jìn)行分段校正，將測(cè)量誤差降低至標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，這個(gè)過(guò)程一般在產(chǎn)品量產(chǎn)的校表環(huán)節(jié)進(jìn)行。 3. 基于UTA6905的超聲波水表流量采集方案 3.1. UTA6905芯片簡(jiǎn)介 UTA6905是一款超聲波流量表和超聲波熱量表的專(zhuān)用芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，集成了相位差測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元、脈沖發(fā)生器等設(shè)計(jì)超聲波電子式水表必需功能，芯片采用了先進(jìn)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，對(duì)時(shí)差的測(cè)量分辨率可達(dá)32ps，溫度測(cè)量單元分辨率高達(dá)0.002℃；此外芯片還集成了第一波檢測(cè)、換能器回波振幅檢測(cè)、換能器斷線(xiàn)檢測(cè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 UTA6905采用QFN32或LQFP32兩種封裝；芯片采用SPI口與外部MCU進(jìn)行通信，內(nèi)部包含4個(gè)32位的配置寄存器、4個(gè)32位的結(jié)果寄存器以及1個(gè)32位的狀態(tài)寄存器；UTA6905還包含一個(gè)低電平有效的中斷引腳INTN，可用于在測(cè)量結(jié)束后喚醒外部MCU；比較器和時(shí)間測(cè)量單元等功耗比較大的元件只有在工作時(shí)才開(kāi)啟，在應(yīng)用中大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流低至納安級(jí)別，適用于電池供電場(chǎng)合，UTA6905的詳細(xì)資料可以參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)[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(shè)計(jì)的超聲波電子式水表方案框圖如圖4所示，給出了詳細(xì)的流量采集相關(guān)的外圍電路：時(shí)鐘部分包括一個(gè)32768HZ的晶體振蕩器和一個(gè)4MHz的陶瓷振蕩器，相位差測(cè)量電路需要一對(duì)諧振頻率1MHz的超聲波換能器和一對(duì)由電阻電容構(gòu)成的信號(hào)通路，溫度測(cè)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(guò)IO口連接UTA6905的SPI引腳和中斷引腳；此外還包括電源穩(wěn)壓電路、LCD顯示電路，通信方面可支持紅外、MBUS等功能，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)抄表或數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(fā)過(guò)程中先后出現(xiàn)的，因此無(wú)法直接測(cè)量?jī)纱位夭ǖ南辔徊蠲}沖，UTA6905利用相差法原理是通過(guò)分別測(cè)量順逆流回波相對(duì)于同一個(gè)參考信號(hào)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(shí)間差實(shí)際上是一致的，UTA6905與目前主流的時(shí)差法芯片另一個(gè)重要區(qū)別在于它可以在一次順逆流測(cè)量流程中記錄多達(dá)31個(gè)回波的相位差并進(jìn)行自動(dòng)積分運(yùn)算，起到了提高精度的作用，而其他的時(shí)差法芯片例如GP22等在一次順逆游測(cè)量中最多記錄3個(gè)脈沖的傳播時(shí)間，實(shí)際測(cè)試也證實(shí)了UTA6905測(cè)量的精度和穩(wěn)定性都有明顯的提高。 UTA6905要求選定振幅穩(wěn)定的回波進(jìn)行相差測(cè)量，測(cè)量前首先根據(jù)第一波檢測(cè)功能確定第一波的到達(dá)時(shí)間，實(shí)測(cè)值約為59μs，根據(jù)示波器觀(guān)察，所選換能器在第14個(gè)回波的振幅達(dá)到穩(wěn)定值，因此將第一波的回波時(shí)間加上13.5μs，作為回波的延時(shí)屏蔽，之后再進(jìn)行相差的測(cè)量，UTA6905第一波檢測(cè)和相位差測(cè)量的流程分別如圖5和圖6所示。
圖5:第一波檢測(cè)流程圖
圖6:相位差測(cè)量及時(shí)差計(jì)算流程圖
圖7:溫度測(cè)量流程圖 UTA6905進(jìn)行溫度測(cè)量的流程如圖7所示，外部MCU在配置好寄存器之后發(fā)送start_temp命令，中斷信號(hào)有效后從結(jié)果寄存器讀數(shù)即可，如果溫度傳感器發(fā)生了開(kāi)路或短路故障，UTA6905狀態(tài)寄存器的相應(yīng)標(biāo)志會(huì)生效，軟件可以根據(jù)狀態(tài)值發(fā)出報(bào)警。國(guó)標(biāo)規(guī)定冷水表的介質(zhì)溫度范圍在0-30℃，為節(jié)省MCU存儲(chǔ)空間，對(duì)應(yīng)電阻值到溫度的查找表只需要滿(mǎn)足該溫度范圍即可。 4. 樣機(jī)測(cè)試 在溫度、流量、計(jì)算、顯示等功能調(diào)試完畢正常運(yùn)行后，將3只DN20樣機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，在室溫條件下對(duì)三個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)度進(jìn)行測(cè)試，誤差數(shù)據(jù)如表1所示： 表1:樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)(室溫)
測(cè)試結(jié)果表明，累積流量的精度在國(guó)標(biāo)二級(jí)表誤差允許范圍在要求之內(nèi)。實(shí)測(cè)始動(dòng)流量值為3L/h，整機(jī)的平均功耗約為20uA左右, 一節(jié) AA型號(hào)的鋰亞硫酰氯電池就可以使整個(gè)系統(tǒng)工作6年以上。 5. 總結(jié) UTA6905相差法流量測(cè)量芯片具有較高的精度和穩(wěn)定性，對(duì)基于該芯片的電子式水表方案的測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)于二級(jí)表的要求，功耗能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間電池供電的要求。 6. 參考文獻(xiàn) [1] ICCI Company. UTA6905數(shù)據(jù)手冊(cè)V1.1 2015. [2] 王賢妮. 皮秒級(jí)TDC超聲波流體測(cè)量技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn). 南昌大學(xué), 2013. [3] 姚靈, 王讓定, 左富強(qiáng),羅永. 單聲道超聲水表測(cè)量特性分段校正方法的研究. 計(jì)量學(xué)報(bào), 34(5). 2013 |
