基于CTMU技术的超声波热量表设计

Design of Ultrasonic Heat Meter Based on CTMULUO Yong·gang .ZOU Zhi·yuan(1.Colege of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.Shan-dong Beilin Technology Co.，Ltd.，Zibo 255000，China)Abstract：In the existing design proposal of ultrasonic heat meter，flow rate and temperature were measured by spe-cial integrated chip.Although it has superior performance，but the cost is h Jigh.This paper presented the design of anultrasonic heat meter based on the PIC24FJ128GA310 as the main controler.Transit time principle was be used tomeasuring the flow rate in this meter.CTMU module Was complete the accurate measurement of the time differencetemperature measurement using signa-delta A/D method.Th e paper deseirbed the CTMU module structure，the meth-ods of use and precautions.Th e design greatly reduced the cost of the ultrasonic heat meter.Tests on the calibrationtable show that the designed products meet the design requirements stable。

Key words：PIC24FJ128GA310；heat meter；charge time measurement unit(CTMU)我国北方地区供暖多年来-直采用按照面积收费.收费与用户实际用热量多少无关 ，因此用户缺少主动的节能意识 ，不能根据实际情况实时调节所需的热量。造成很大浪费。按照面积收费的不合理性越来越突出，智能化程度明显不足。按照实际热量收费的计费方式呼之欲出。随着建设部关于新建住宅的采暖系统必须实行供热计量收费”规定的出台，热量表将逐渐走进千家万户。并迅速成为进入居民家庭的又-分户计量仪表。现在生产热量表的厂家仪常多，国内市场上主要有机械式热量表、电磁式热量表、超声波热量表。机械式热量表流量靠热水流动推动叶轮旋转得到流量值 .由于热水管道中水质差、杂质多等特点 ，机械式热量表容易卡死，寿命短。电磁式热量表结构复杂，功耗高价格高，因此进户的热量表应用也不多。由于超声波热量表无任何机械运动，无磨损，不易坏 。对水质要收稿日期：2013-O1-15：修订日期：2013-02-01作者简介：罗永刚(1979-)，男，讲师，研究方向为计算机智能控制；邹志远(1979-)，男，工程师，研究方向为智能仪表。

自动亿与仪表2013(6) 田求不高，因此得到广泛应用l1J。

1 热量表原理热量表由三部分组成：流量传感器、温度传感器和积算仪。在用户暖气管道出水口、入水口分别安装温度传感器，用来测量温度信号。热水流经流量传感器用来测量流量.根据流量传感器给出的瞬时流量和温度传感器给出的出入口水温度以及水流经的时间，通过积算仪计算并显示该系统所释放或吸收的热量 ：，Q J。kAOdV式中：Q为释放的热量；k为热系数，压力-定的情况下，它随温度变化而变化；A0为出水口和入水口的温差： 为载热液体流过的体积。

2 流量测量2.1 流量测量原理流量传感器是用于测量瞬时水流量并发出流量信号的器件。超声波流量传感器采用时差法对流量进行测量，其基本原理是：在传感器的入口和出口分别安装-只超声波换能器，用于超声波信号的发射与接收，入 口与出口换能器分别发射超声波信号由另-只换能器接收。由于超声波信号与水流信号叠加，使声波在顺流和逆流时的传播速度不同，因此不同换能器发射的超声波信号在水中的传播时间就不同。如图 1所示，A点经过换能器发射超声波，B点接收。然后 B点发射 A点接收，虽然传播距离相同。但是由于水流的原因导致传播速度不同。

A B图 1 流量测量原理Fig.1 Flow measuring principle假设水流方向为A点到B点。A点顺流方向发射 .B点接收到信号的时间为 t ，B点逆流方向发射，A点接收到信号的时间为t ，介质的流速为 ，超声波在介质中的传播速度为c，L为 A点 B点的距离，那么：田1 ，t2-c c--v化简之后 ，得到 ：LAt式中， 为t。，t 之差，其中 为已知，只要测量出t ，t ，就可以根据公式得到流速，然后根据管径就可以得到流量 。由于 t ，t 时间很短 ，因此对这个极短时间的测量是热量表流量测量的关键。

2-2 CTMU时间测量目前市场上超声波热量表对这个时间的测量大部分采用的是集成芯片TDC-GP2。该芯片集成对温度和流量的测量 ，使用方便，精度高，但成本偏高。采用该芯片生产的热量表，已经达到设计要求 ，并实现量产。为了进-步降低成本，采用 Microchip公司的PIC24FJ128GA3lO设计-款热量表，并取得良好的效果，目前已经开始小批量测试。

PIC24FJ128GA310是 16位单片机 ，速度为16MIPS，128K FLASH，8K RAM，有丰富的外围资源 ，例如 l2位 A/D、UART、SPI、I2C等，并且价格适中。之所以采用这款芯片，主要原因是它的低功耗和 CTMU拈。在低功耗模式下最小电流可以到10 nA，适合电池供电。CTMU可以完成皮秒级时间的测量。

CTMU(充电时间测量单元)是-个灵活的模拟拈.它提供脉冲源之间的精确时间差测量以及异步脉冲生成。CTMU可与其他片上模拟拈-起，用于精确测量时间、电容、电容的相对变化或生成具有特定延时的输出脉冲。该拈具有以下主要特性：(1)片上精确电流源；(2)4个边沿输入触发源；(3)每个边沿源的极性控制；(4)边沿序列控制；(5)控制对边沿 的响应 ；(6)高精度时间测量；(7)与系统时钟异步的外部或内部信号的延时翻。

CTMU与 A/D转换器配合工作，根据具体器件和可用的A/D通道数用于时间或电荷测量。如果配置为产生延时，那么 CTMU连接到其中-个模拟比较器。电平敏感输入边沿源可以从 4个源中选择：两个外部输入、Timerl或输出比较拈 1。图 2给出了CTMU拈框图。

Automation＆Instrumentation 2013(6)Timerl0C1①l软件触发瓣 比较器2的输出图 2 CTMU拈框 图Fig.2 Block diagram of CTMU从图中可以看到，共有四个输人源用来触发电流源，分别为 2个外部引脚以及定时器信号或者比较器信号，这撒于边沿控制逻辑的设置。芯片内部有三个恒流源，并可以在±62%的范围之内调整，分别是 0.55 A，5.5 A，55 A。电流源触发之后 ，开始对芯片内部或外部电容充电，该电容电压内部可以和A/D的输入或比较器 2的输入直接连接。当满足-定触发条件时，电流源停止给电容充电，开始 A/D转换或者比较器 2输出。

CTMU的工作方式是使用固定电流源来对电路进行充电。电路的类型撒于要进行测量的类型。

在进行电荷测量的情况下 ，电流是固定的，给电路施加电流的时间也是固定的。这样，只要通过 A/D测得电压就可以测得电路的电容。在进行时间测量的情况下.电流和电路的电容都是固定的，这种情况下由A/D读取的电压可以代表从电流源开始对电路进行充电到停止充电经过的时间。如果 CTMU用于产生延时.那么电容和电流源以及向比较器电路提供的电压都是固定的。信号的延时由将电压充电到比较器门限电压所需的时间决定。

使用 CTMU拈测量时问的原理如图 3所示 ，用来测量两个脉冲的时间间隔。

图 3 CTMU测量时间框 图Fig.3 Block diagram of measuring time自动化与仪表 2013(6)器图中待充电的电容包括芯片外接的电容。PCB的杂散电容以及用于A/D的采样电容。当电路固定时，这些参数都是固定的。有两个脉冲信号分别连接到两个输入引脚。设置相关寄存器，首先让 AD接地，释放被充电电容的残余电荷，然后开始测量。当第-个输入引脚第-个脉冲信号到达时，启动恒流源给电容充电，当第二个引脚第-个脉冲到达时，停止充电并 自动开始 A/D转换，得到 。

c×由于恒流源 i和C都是常量.可以得到：： m 取 mO，这样 t与 成正比.根据A/D测量的电压，可以计算出两个引脚上两个脉冲之间的时间差。CTMU是个非常灵活的拈.和其他拈结合主要完成对电容或精确时间的测量。如果选用 55 A的恒流源，待充电的电容25 pF，12位 A/D参考电压3 V。分辨率 0.7324 mV。那么最小分辨的时间差为(25 pF/55 A)x0.73240.333 rls，当降低 A/D参考电压〉低待测电容，时间差的分辨率可以做到 50ps。图4是超声波接收的电路，当接收到超声波信号之后 ，先抬高接收信号的电压 ，然后转换为方波送到单片机中。

图 4 超声波信号接收电路图Fig.4 Schematic of receiving ultrasonic signals2.3 流量测量误差及校正由于使用精密电流源给电容充电，然后根据对电容电压的采样判断对电容充电的时间，因此精密电流源直接影响到对时间测量的精度。对时间测量之前需要先对精密电流源校准。芯片内的电流源可以在±62%的范围之内调整。让精密电流源流过-个外接的高精密电阻，然后对电阻电压采样，这样就可以计算出流过电阻的电流大小，从而完成对精密电流源的校准。该电阻应该选用高精度、低温漂的电阻。(下转第37页)田行设计，该监控界面包括操作人员登录、系统管理、冷固球团工艺主画面，主要包含总工艺流程画面、造球工艺、连锁系统、配料烘干、造球筛分、成品烘干、报警画面和历史曲线画面等。该监控界面实时地对全厂冷固球团工艺过程的模拟显示和动态监控，为冷固球团自动控制系统提供了强大监控能力。

5 结语针对冷固球团生产中配料这-重要环节。提出了采用模糊 自适应 PID控制方法，提高了配料精度和速度。采用分布式控制系统，实现了PLC对冷固球团工艺的自动控制以及各种工艺参数的实时在(上接第 15页)使用内部可调电流源给电容充电，由于这个电容大概十几皮法 .芯片引脚的杂散电容和寄生电容对测量精度也有影响，在测量之前，同样需要校正待测电容。首先用校准过的电流源给电容充电固定时间，然后通过 A/D采样 .计算出待测电容。在采样之前，需要先控制电容放电，等待-段时间后，发超声波信号，并开始控制电流对电容充电，避免残留电荷对测量精度的影响。在整表安装结束之后，应该先充入水，测量静态水流时时间差 ，理论上应该为零 。但由于超声波换能器的误差或者其他误差导致时间差不为零，应该修正。同时在大中小流量也应该增加校正.出厂时将校正系数写入表中，以便用于实际测量时修正。

经过试验台测试，采用管径 25 mm，温度 25℃，在 0.05 m /h。0.25 m /h，2.5 m3/h的流量点下 ，误差均小于 1%.完全满足设计要求。现在已经开始小批量测试3 温度测量温度测量采用 Signa-delta A/D方法。在出水口和入水口分别安装 PT1000温度传感器，使用单片机-个引脚输出脉冲信号通过 1000给已知的电容充电，当比较器状态翻转时，得到充电时间。然后再用同样的脉冲信号通过-个已知大小的精密电阻给同-个电容充电得到充电时间，根据这两个充电时间∩以推算出热电阻的阻值 ，查热电阻分度表得到对应的温度，这也是现在大部分热量表采用的方案，已经非常成熟 。PIC24FJ128GA310带有 3个 UART接口.因此配合 TSS7221A完成 MBUS通自动化与仪表 2013(61线监控、历史数据 、报表的查询 、报警提示等功能。

项目自投运以来，生产安全稳定，获得不错的经济效益和社会效益。