UTA6905在超聲波電子式水表中的應(yīng)用
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電子式水表，也稱智能水表，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)符合國家GB/T778-2007《封閉滿管道中水流量的測(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)簡單，計(jì)量過程無壓力損耗，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，目前國外品牌的超聲波水表精度和價(jià)格都比較高，國內(nèi)的研發(fā)雖然初級(jí)階段，但可以觀察到近一兩年來主流水表廠商的研發(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)施以及國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的深入推廣，超聲波電子式水表將迎來廣闊的市場(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，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。
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(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)過層流、過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(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)無線抄表或數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。
評(píng)論