近年來我國提出建筑節(jié)能計(jì)劃，逐步實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量收費(fèi)制度。供熱計(jì)量正在逐漸成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)，戶用超聲波熱計(jì)以低功耗、高精度越來越受關(guān)注。超聲流量計(jì)量實(shí)現(xiàn)了非接觸式高精度測量，因此有量程寬、無壓損、組成簡單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。目前的主要的超聲流量計(jì)量技術(shù)是時(shí)差法和相差法。時(shí)差法超聲流量計(jì)就是根據(jù)介質(zhì)的流速與時(shí)差存在線性關(guān)系原理進(jìn)行測量的，只要準(zhǔn)確測定順逆流時(shí)間，根據(jù)流速與其線性關(guān)系，可以求出瞬時(shí)流速，進(jìn)而可以求出瞬時(shí)流量。而相差法則是通過某種技術(shù)手段，得到順逆流回波信號的相位差信息，推算出超聲波順逆流的傳播時(shí)差。本文主要介紹超聲波流量計(jì)芯片的相差法超聲流量計(jì)量原理。
2.相差法超聲流量計(jì)量原理相差法
超聲波熱計(jì)表測量系統(tǒng)利用超聲波相差法測量當(dāng)前管道中的流量值，同時(shí)利用溫度傳感器測量入口水溫和出口水溫，通過熱量計(jì)算就可得出當(dāng)前住宅所使用的熱量。超聲波熱量計(jì)芯片利用相差法完成對管道中流量的測量，是通過測量超聲波在順流和逆流傳播產(chǎn)生的相移之差。
3.熱量計(jì)量原理
超聲波熱量計(jì)芯片中的相差測量單元利用相差法超聲波流量計(jì)量技術(shù)測量出管道中水的流量，同時(shí)溫度測量單元測出進(jìn)口水溫和出口水溫，然后就可以根據(jù)公式計(jì)算出住宅使用的熱量。
3.1 超聲波熱量計(jì)相位差測量單元
超聲波熱量計(jì)芯片利用順流方向和逆流方向回波信號的相位差來實(shí)現(xiàn)流速的測量，在實(shí)際應(yīng)用中，順逆流相差不會(huì)超過1個(gè)1MHz的周期。
順逆流的測量是先后進(jìn)行的，因此不能直接得到兩組回波的相位差，超聲波熱量計(jì)分別測量順逆流回波信號相對于同一個(gè)內(nèi)部參考信號的相位差，由外部MCU讀取兩個(gè)值并計(jì)算順逆流的相位差。
內(nèi)部參考信號為1MHz，占空比75%的方波，與FIRE脈沖同步。
回波信號經(jīng)過比較器整形為方波，該比較器為斬波比較器，每次測量前都會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)，保證OFFSET在1mV范圍內(nèi)。
回波信號和內(nèi)部參考信號進(jìn)入鑒相器，輸出相位差脈沖，相位差是回波的上升沿到參考信號的下降沿之間的時(shí)間，如果回波信號上升沿超前于參考信號下降沿（落在參考信號高電平區(qū)間），則相位差為正值，否則（落在參考信號低電平期間）為負(fù)值，超聲波熱量計(jì)測得的相位差脈沖的寬度范圍為 （-250ns，750ns）。
對相位差脈寬的測量是通過高分辨率的TDC（單精度64ps，雙精度32ps）進(jìn)行的，TDC可以連續(xù)測量多達(dá)31個(gè)相位差脈沖的寬度，對這些寬度的值進(jìn)行累加積分，進(jìn)行校準(zhǔn)并將結(jié)果存放在寄存器RES0中，此時(shí)RES0是一個(gè)有符號數(shù)，可以指示出回波脈沖是超前還是滯后于參考信號。
一次順流和逆流相位差測量完成后，外部MCU讀出兩次相差值，通過計(jì)算得到順流和逆流的時(shí)間差。
3.2溫度測量單元
針對于熱量計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一基于TDC技術(shù)的高精度低功耗溫度測量單元，該單元是通過溫度傳感器電阻或精密電阻對電容充放電，TDC通過測量放電時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)溫度測量。
在溫度測量應(yīng)用中，當(dāng)測量電阻進(jìn)行充放電時(shí)，如果使用外部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP設(shè)置為0，如果使用內(nèi)部施密特觸發(fā)器，需要將NEG_STOP_TEMP寄存器設(shè)置為1，兩種情況分別對應(yīng)的電路連接
溫度傳感器的最小阻值為500Ω。超聲波熱量計(jì)測量出由每個(gè)電阻和電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)的放電時(shí)間。溫度測量的精度為0.002°C。
本文主要介紹了超聲波熱量計(jì)芯片的相差法流量計(jì)量原理，由于存在相位差累加積分，相差法對于偶然誤差和干擾誤差的消除具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，特別是在流量測量過程中，相差法提供的數(shù)據(jù)是進(jìn)行濾波算法之后的平均值，波動(dòng)性更小，更接近真實(shí)流量，提高了測量精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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