1.    概述

近年來我國提出建筑節能計劃，逐步實現分戶計量收費制度。供熱計量正在逐漸成為技術研究的熱點，戶用超聲波熱表以低功耗、高精度越來越受關注。超聲流量計量實現了非接觸式高精度測量，因此有量程寬、無壓損、組成簡單、靈敏度高的優點。目前的主要的超聲流量計量技術是時差法和相差法。時差法超聲流量計就是根據介質的流速與時差存在線性關系原理進行測量的，只要準確測定順逆流時間，根據流速與其線性關系，可以求出瞬時流速，進而可以求出瞬時流量。而相差法則是通過某種技術手段，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差。2014年8月，北京美科芯科技有限公司聯合美國ICCI公司共同發布了業界基于相差法的智能超聲波熱量表專用芯片UTA6905，本文主要介紹UTA6905芯片的相差法超聲流量計量原理。 

2.相差法超聲流量計量原理 

     超聲波熱量表測量系統利用超聲波相差法測量當前管道中的流量值，同時利用溫度傳感器測量入口水溫和出口水溫，通過熱量計算就可得出當前住宅所使用的熱量。UTA6905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生的相移之差。超聲波流量測量原理如圖1所示。

 
圖1:超聲波流量測量原理

圖1中流量管道直徑為D，兩個換能器之間的水平距離為L，超聲波在水中的傳輸速度為c，管道中流體速度為v，可以得到超聲波在順流中的渡越時間t1和逆流傳播過程中的渡越時間t2分別為：

3.UTA6905熱量計量原理 

   UTA6905芯片中的相差測量單元利用相差法超聲波流量計量技術測量出管道中水的流量，同時溫度測量單元測出進口水溫和出口水溫，然后就可以根據公式計算出住宅使用的熱量。 

3.1 UTA6905相位差測量單元 

UTA6905芯片利用順流方向和逆流方向回波信號的相位差來實現流速的測量，在實際應用中，順逆流相差不會超過1個1MHz的周期，相差法流量計量單元的電路原理圖如圖2所示：

 
圖2:UTA6905相差法流量計量單元電路原理圖

順逆流的測量是先后進行的，因此不能直接得到兩組回波的相位差，UTA6905分別測量順逆流回波信號相對于同一個內部參考信號的相位差，由外部MCU讀取兩個值并計算順逆流的相位差，圖3所示為UTA6905相差法流量測量原理。

 
圖3:UTA6905芯片相差法原理

內部參考信號為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，每次測量前都會自動校準，保證OFFSET在1mV范圍內。 

回波信號和內部參考信號進入鑒相器，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間)，則相位差為正值，否則(落在參考信號低電平期間)為負值，UTA6905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）進行的，TDC可以連續測量多達31個相位差脈沖的寬度，ALU對這些寬度的值進行累加積分，進行校準并將結果存放在寄存器RES0中，此時RES0是一個有符號數，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，通過計算得到順流和逆流的時間差。 

3.2溫度測量單元 

針對于熱量計領域，設計了一基于TDC技術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通過測量放電時間的方式來實現溫度測量。

 
圖4:溫度測量原理示意圖

如圖4所示，溫度測量單元支持PT1-PT4四個測量端口。 

在溫度測量應用中，當測量電阻進行充放電時，如果使用外部施密特觸發器，需要將NEG_STOP_TEMP設置為0，如果使用內部施密特觸發器，需要將NEG_STOP_TEMP寄存器設置為1，兩種情況分別對應的電路連接如圖5所示。

 
圖5:溫度測量原理示意圖

溫度傳感器的最小阻值為500Ω。UTA6905測量出由每個電阻和電容組成的RC網絡的放電時間。溫度測量的精度為0.002°C。 

微控制器發送代碼“START_TEMP”啟動溫度測量，UTA6905自動控制溫度測量，測量完成之后中斷標志置位，測量數據被存儲在RES0～RES3 中。 

從Res_1/RES_0和RES_2/RES_3中微控制器可以計算出Rtemp/Rref的比值。通過查表，可以計算出當前的傳感器的溫度，注意UTA6905不支持4線的溫度傳感器。 

4. 總結 

  本文主要介紹了UTA6905芯片的相差法流量計量原理，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的優勢，特別是在流量測量過程中，相差法提供的數據是進行濾波算法之后的平均值，波動性更小，更接近真實流量，提高了測量精度，具有廣闊的應用前景。