1. 概述

對流量的精準(zhǔn)計(jì)量更是當(dāng)前超聲波熱量表設(shè)計(jì)技術(shù)中的一大難點(diǎn)，相差積分法(下文簡稱相差法)和時(shí)差法是的兩種比較常用的流量計(jì)量手段，不同的設(shè)計(jì)廠商分別針對兩種原理研發(fā)出各自的整機(jī)方案，其中均不乏優(yōu)秀的產(chǎn)品，使得兩種方案的產(chǎn)品在國內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。從產(chǎn)品采用的計(jì)量芯片類型看，時(shí)差法方案采用以ACAM公司和美國ICCI公司為代表的專用芯片，這類芯片集成了時(shí)差法計(jì)量需要的所有功能，只需加少量外圍器件即可構(gòu)成熱表整機(jī)；而相差法方案目前仍然以分立器件為主，存在器件數(shù)量較多、模擬電路較為復(fù)雜以及整機(jī)功耗偏大的缺點(diǎn)。

為了更好地服務(wù)采用相差法方案的設(shè)計(jì)廠商，2014年8月，北京美科芯科技有限公司聯(lián)合美國ICCI公司共同發(fā)布了業(yè)界首款基于相差法的智能超聲波熱量表專用芯片UTA6905。UTA6905采用了先進(jìn)的數(shù)字化方式進(jìn)行相差的提取、測量和積分運(yùn)算，測量結(jié)果的分辨率達(dá)到32ps。此外為滿足熱量表智能化的需求，UTA6905還提供了換能器故障檢測、回波振幅檢測、第一波檢測等自我診斷功能，使得廠商可以及時(shí)了解產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境甚至部件的工作狀態(tài)，及時(shí)對工作異常的產(chǎn)品做出分析和處理。

2. UTA6905主要功能

如圖1所示，UTA6905內(nèi)部集成了相位差測量單元、脈沖發(fā)生器、溫度測量單元、比較器、模擬開關(guān)等相差法超聲波熱量表必須的部件，還集成了多種的自診斷部件，這些部件主要包括：第一波檢測、換能器回波振幅檢測和換能器故障檢測。UTA6905的溫度測量單元繼承了UTA6902/6903芯片的電路結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)0.002℃；基于相差法的流量測量單元測量分辨率可達(dá)32ps。

下面僅對用戶最關(guān)心的相差法流量計(jì)量功能、自診斷功能和功耗表現(xiàn)做詳細(xì)的介紹。

 

圖1 UTA6905內(nèi)部功能框圖

 2.1. 相差法流量計(jì)量單元

無論相差法還是時(shí)差法，其根本目的還是得到超聲波信號在順流和逆流兩種流體狀態(tài)下的傳播延時(shí)之差，從而推算出流速。所謂時(shí)差法是指直接測量出超聲波信號從發(fā)出到接收到的傳播延時(shí)，順逆流相減即可得到傳播時(shí)差；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。通常情況下需要對多個(gè)相位差脈寬進(jìn)行累加積分，以降低測量誤差，這就是相差積分法的由來。基本原理如圖2所示。

圖2 相差法原理圖

 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。

三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)保證了UTA6905能夠得到高精度的測量結(jié)果：

1)斬波比較器失調(diào)電壓低至1mV且不隨溫度變化 。

 2)分辨率高達(dá)32ps的時(shí)間測量技術(shù)。

 3)對1-31組相位差積分降低了測量誤差。

2.2. 自診斷功能

UTA6905提供了三項(xiàng)自診斷功能：換能器故障檢測、回波振幅檢測、第一波檢測。下面分別介紹這三項(xiàng)功能。

換能器故障檢測

由于長期處于高溫高濕及水流沖刷的工作環(huán)境，換能器故障成為熱量表失效的一個(gè)重要因素，統(tǒng)計(jì)表明，換能器斷線或者振子脫落是其中兩類主要原因，UTA6905利用換能器發(fā)射端在發(fā)射結(jié)束后的余波對換能器的狀態(tài)做出判斷，它可以對余波的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖3展示的是實(shí)驗(yàn)測試的一款換能器，正常換能器的余波個(gè)數(shù)為4-5個(gè)，斷線狀態(tài)下降低為0，振子脫落的換能器余波個(gè)數(shù)上升至10個(gè)甚至更多。

圖3 正常換能器及故障換能器的區(qū)別

 回波振幅檢測

UTA6905的振幅檢測單元可以測量出超聲波回波在穩(wěn)定狀態(tài)的振幅電壓，最大量程500mv，分辨率可達(dá)8mV，通過這項(xiàng)功能能夠判斷換能器是否存在老化或者反射部件結(jié)垢現(xiàn)象，為長時(shí)間運(yùn)行的熱量表在線監(jiān)測功能提供支持。

同時(shí)此功能和換能器余波檢測功能相結(jié)合，UTA6905芯片使空管檢測功能更加簡便、可靠。

第一波檢測

UTA6905可以測量出從超聲波脈沖發(fā)射到第一個(gè)接收波的傳播時(shí)間，其計(jì)時(shí)分辨率達(dá)到32ps，且可通過合適的配置完全消除空管狀態(tài)下可能出現(xiàn)的干擾信號，在管道無水的狀態(tài)下這個(gè)計(jì)時(shí)器會(huì)報(bào)告超時(shí)狀態(tài)，也可作為空管檢測的一項(xiàng)依據(jù)。

2.3. 功耗表現(xiàn)

UTA6905采用了新一代低漏電工藝設(shè)計(jì)，采用3.3V供電時(shí)，靜態(tài)電流低至5nA，32kHz晶體振蕩器工作電流低至0.3uA。其溫度采集單元在30秒運(yùn)行一次的情況下，平均電流低至0.08uA。模擬電路只有在流量采集過程中供電，工作電流約0.8mA，一次測量過程中工作300-400us。相差測量及積分電路瞬時(shí)電流約4mA，一次上下游測量過程僅需工作50us。

從系統(tǒng)角度看，與分立元件為主的相差法超聲波熱量表產(chǎn)品解決方案相比，UTA6905僅需MCU發(fā)送一次命令即可完成流量或溫度采集過程，降低了MCU的運(yùn)行時(shí)間，對降低系統(tǒng)功耗有明顯的好處，在熱量表的設(shè)計(jì)中，還可以根據(jù)自診斷部件的檢測狀態(tài)判斷目前管道中是否有水，實(shí)現(xiàn)在空管狀態(tài)下降低測量頻率，從而以減小電流消耗，使得整臺(tái)設(shè)備的平均電流很容易降至 10～15uA，一節(jié) AA型號的鋰亞硫酰氯電池就可以使整個(gè)系統(tǒng)工作10年。

3. 基于UTA6905的熱量表設(shè)計(jì)

UTA6905需要用到4MHz和32KHz兩組晶體振蕩器提供工作時(shí)鐘；溫度測量電路需要用到兩個(gè)PT500/PT1000的電阻以及一個(gè)低溫漂的標(biāo)準(zhǔn)電阻，外加一只充電電容；流量測量通路也僅需少量的電阻電容和一對換能器；外部再加上一個(gè)簡單的MCU及其他通信和顯示器件，就可以構(gòu)成一只完整的超聲波熱量表，原理圖如圖4所示。

圖4 基于UTA6905的熱量表原理框圖

 4. 總結(jié)

綜上所述，使用UTA6905芯片的相差法超聲波熱量表方案具有更低的成本和更高的計(jì)量精度，設(shè)計(jì)者還可以利用該芯片提供的自診斷功能，研制出一款具備自檢測功能的智能化熱量表，不僅有利于降低產(chǎn)品故障診斷時(shí)間以及生產(chǎn)費(fèi)用，而且有利于提升產(chǎn)品競爭力、樹立品牌形象。 來源：國際電子商情