作者 孙大鹏 利尔达科技集团股份有限公司
摘要：开发一款依据超声波传感器和高精度铂电阻温度传感器的超声波热量表，选用高精度的计时芯片完结对流速、流量和热量的高精度丈量，M-Bus外表总线的高效牢靠数据传输，并充沛发掘MSP430F4481处理器芯片的功耗和核算速度优势和TDC-GP21芯片的高精度计量优势，所研发的热量表具有本钱低、丈量精度高、功耗超低的特色。检测成果契合《热量表》行业标准的2级表要求，内置电池使用寿命超越10年。这几项目标在国内同行业产品中有很大优势。
0 导言
本课题从对超声波热量丈量原理的理论研讨动身，结合行业标准，使用超声波流量丈量技能和热量丈量技能研发开发一种热量表，给出体系的软件和硬件结构规划办法。研讨内容包含热量表的丈量原理、超声波换能器作业机理、样机的开发、检测、检定的研讨。
1 整体计划规划及功用分析
本计划规划的超声波热量表是一种整体式的热量表。将低功耗单片机技能、数字化温度流量丈量技能、超声波流量丈量技能以及长途会集抄表技能进行了有用的结合。
本规划的超声波热量表主要由TDC-GP21规划的温度流量丈量仪、MSP430F4481规划的积算仪及相关外围电路、TSS721A规划的M-BUS总线体系三部分组成。图1为使用TDC-GP21丈量的超声波热量表计划的原理框图。
相对其他丈量芯片来说，TDC-GP21的价格优势十分合适低本钱的超声波热能表规划。TDC-GP21优异的功用(包含高精度的时刻丈量、准确的时钟校准、主动化的丈量方法和低功耗的丈量计划)，只需再加上一个简略的微处理器，以及很少的外部电路就能够构成一套完好的超声波热量表计划，大大减少了本钱。
2 GP21温度流量丈量
TDC-GP21供给了关于TDC-GP2的管脚彻底兼容的功用，以及一些进步的特性和额定扩展的功用。如图2所示，其内部集成了时钟电路、温度丈量单元、脉冲发生器、TDC丈量电压和一个简略地运算单元ALU，以及模仿%&&&&&%比较器。内部集成的模仿开关将会使外围电路的规划大大简化。一起，丈量的质量也会被进步，丈量的功耗将会被下降。
为了丈量进水口和出水口之间流体的温度差异，TDC-GP21使用了其内部集成的P%&&&&&%OSTRAIN丈量方法，供给了高精度和低功耗的温度丈量计划。因为温度传感器的电阻值与温度有存在必定的联系，芯片将会经过直接丈量温度传感器RTD的电阻改动量而得到对应的温度值，该进程是经过内部十分准确的时刻丈量完结的。丈量时，传感器丈量电阻和参阅温度安稳电阻将会别离关于同一个%&&&&&%进行充放电，那么放电的时刻将会经过内部的高精度的ps等级时刻分辨率的TDC丈量单元丈量下来。图3中显现了一个GP21温度丈量的原理和一个典型充放电曲线。
只需要经过单片机向GP21传送相对应的操作代码，GP21的温度丈量就会主动高效完结。经过传送操作代码“Start_Temp”，TDC-GP21将会进行单次温度的快速丈量，而经过传送操作代码“Start_Temp_Restart”，TDC-GP21将会进行两次温度的快速丈量，两次丈量之间的时刻延迟将会为50Hz或60Hz的整数倍。这会削弱50 Hz或60 Hz的噪声。而相关于单次温度的快速丈量，TDC-GP21先会先依照装备进行屡次热身丈量，然后再依照次序 PT4< PT3< PT2 <pt1 p="" 端口实践实践温度快速丈量。在完结4次实践温度快速丈量完毕之后，中止标志位就会被置位。tdc-gp21也能够按相反丈量次序进行温度丈量，而热身丈量也会从pt4端口开端。丈量的成果将会被存储在gp21的成果寄存器0-3傍边。
传感器电阻相关于温度安稳时电阻的改动将会由放电的时刻比率表现。放电时刻的核算公式为：
依据RRTD的值，经过相应的公式核算或经过查询对应传感器的温度表格，就能够取得传感器现在丈量到的温度信息。
PT1000是一种铂热电阻，它的阻值会跟着温度的改动而改动，归于正电阻系数热敏电阻。其命名意义为：PT后的1000表明它在0 ℃时它的阻值为1000 Ω，在20 ℃时它的阻值约为1097.347 Ω，在300 ℃时它的阻值约为2120.515 Ω。它的作业原理：当PT1000在0摄氏度的时分他的阻值为1000 Ω。它的阻值会跟着温度上升而呈匀速增加，是线性联系。公式(3)是PT1000温度和电阻值的联系式：
(3)
R(t)是温度为t时铂热电阻的电阻值(Ω); (t)为温度(℃);R0是温度为0℃时铂热电阻的电阻值(Ω); A、B为分度常数;
分度常数：A=3.9083×10-3 ℃-1， B=-5.775×10-7 ℃-2 ;
PT1000厚膜铂电阻温度传感器的电阻值与温度的联系违背所给分度表的允差不超越 ±(0.30+0.005∣t∣)。
GP21的流量丈量是依据超声波上下游十分时刻的。两个超声波换能器将会别离连接到GP21上下游丈量的两个端口，这个两个换能器都能够作为接纳端或许发射端。如图4所示为依据时刻距离丈量的超声波流量丈量原理图。
