基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905
超声波热量表芯片UTA6905的相差法流量测量原理
超声波热量表芯片UTA6905的相差法流量测量原理
1.概述
近年来我国提出建筑节能计划，逐步实现分户计量收费制度。
供热计量正在逐渐成为技术研究的热点，户用超声波热表以低功耗、高精度越来越受关注。
超声流量计量实现了非接触式高精度测量，因此有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度高的优点。
目前的主要的超声流量计量技术是时差法和相差法。
时差法超声流量计就是根据介质的流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，根据流速与其线性关系，可以求出瞬时流速，进而可以求出瞬时流量。
而相差法则是通过某种技术手段，得到顺逆流回波信号的相位差信息，推算出超声波顺逆流的传播时差。
2014年8月，北京美科芯科技有限公司联合美国ICCI公司共同发布了业界首款基于相差法的智能超声波热量表专用芯片UTA6905，本文主要介绍UTA6905芯片的相差法超声流量计量原理。
2.相差法超声流量计量原理相差法
超声波热量表测量系统利用超声波相差法测量当前管道中的流量值，同时利用温度传感器测量入口水温和出口水温，通过热量计算就可得出当前。
低功耗高精度超声波热量表的设计与实现
低功耗高精度超声波热量表的设计与实现高正中;郭金建;李世光;桑志峰;姚秀勇【摘要】A low-power and high-precision ultrasonic heat meter was designed in this paper .Low-power MSP 430 series IC was selected in heat meter MCU and heat meter MCU selected chip of time measurement and selected TDC -GP22 with high precision, which combined with ultrasonic transducer for measurement of water flow while with Pt 1000 measured the inlet and outlet water temperature;Communication module had two kinds of communication modes ,named infrared communication andM_BUS communi-cation respectively.This article described the design of the circuit in detail from the principle ,the basal meter,the hardware and software,and finally results from experiments show that the designed heat meters have very low power consumption ,high accuracy and good stability .%本文设计了一款低功耗高精度的超声波热量表。
UTA6903中文数据手册V1.5
2013 年 7 月
........................................................................................................................................................ I 1 概述 .......................................................................................................................................................... 1 2 UTA6903 特性 ......................................................................................................................................... 1 3 功能框图 .................................................................................................................................................. 3 4 管脚信息 ..................................................................................................................................................
超声波热量表检测方法研究获奖科研报告
超声波热量表检测方法研究获奖科研报告【摘要】随着我国人民日益增长的物质水平以及持续增长的能源需求，目前能源危机是我们所要解决的重要问题，长期以来，我国对于热水和暖气的提供均按照热面积进行计算，造成了严重的热量损失，近年来，超声波热量检测技术逐渐成熟，因其不仅精密度高而且安装方便得以广泛应用，本文基于热量表工作的基本理论以及超声波热量表的检测原理，对超声波热量检测表检测方法进行探讨研究。
【关键词】超声波;热量;检测原理;应用想要解决我国目前所面临的能源危机，一方面从寻找新的替代能源入手，其次就是节约能源【1】，我们日常生活中广泛应用的热水属于二次能源，使用量极大，在检测使用量时，均按照热面积结算，导致了能源的大量消耗，想要改变能源浪费现状，必须从结算方式上进行优化，作为我国测量和计算热交换系统所释放的热量值的关键仪表【2】，我国已经实施按热量结算的超声波热量检测仪表，它通过超声波探头检测水流中超声波的传播速度作为计量原理，对于水的流量采用时差法进行计量，超声波热量检测仪表的壳体内没有可以移动的部件，这个时它作为热量表的结构特点。
目前将超声波热量检测仪表广泛应用的原因有：精密度高、压损小及使用口径的范围大，以先进的技术用于分户的供热计量上，超声波热量检测仪表作为贸易结算类的计量仪表，不仅属于国家规定的强制性检测工具，也属于稳定性极高的主流检测工具，因此对于超声波热量表检测方法研究是十分有意义的。
1 超声波热量表的工作原理1.1概述超声波式的热量表是利用超声波式的流量传感器进行检测的热量表，超声波在水中有一定的传播速度，将超声波在流体中顺流的传播速度和逆流的传播速度的差值进行计算，算出流速从而得到水流的流量。
超声波热量表分为直射式和反射式，直射式也被称之为对射式，其原理就是将超声波换能器检测信号直接发射，然后将接收到的信号作为检测流量，反射式也被称之为对流式，超声波换能器中的有个反射平面，将通过反射平面的发射时速作为检测流量。
UTA6903在超声波热表的应用例程
//将 SCK 时钟信号置为低电平，将数据写入 //将 SSN 引脚置高电平，不用时置高。
/* Name：UTA6903GetRes() Fuction :MCU 从 UTA6903 结果寄存器读测量数据 Input:opc 为操作码 Return:dat 为 32 位结果寄存器数据 */ unsigned long UTA6903GetRes(unsigned char opc) {
//要配置 32 位数据。 //将 SCK 时钟信号置为高电平。
if(dat&0x80000000) SetUTA6903SI()； //操作码由高位向低位进行数据传输。 else ClrUTA6903SI()；
ClrUTA6903SCK()； dat<<=1; } SetUTA6903SSN()； }
UTA6903 在超声波热表中的应用
/* Name：UTA6903 GetReg1 () Fuction : 读取 UTA6903 状态，判断 UTA6903 是否正常 Input:无 Return:dat 为配置寄存器 1 的高 8 位 */
unsigned char UTA6903GetReg1(void)
if(opc&0x80) SetUTA6903SI()； else ClrUTA6903SI();
//操作码由高位向低位进行数据传输
ClrUTA6903SCK()； opc<<=1； }
//将 SCK 时钟信号置为低电平，将数据写入。 //操作码进行左移
for(i=0;i<32;i++) {
SetUTA6903SCK();
}
SetUTA6903SSN(); return dat; }
新型智能NB-IoT超声波热量表在供热计量中的应用
基于蜂窝的窄带物联网技术开发的新型智能NB-IoT超声波热量表，具有实时监控表计运行数据、计量精度高、功耗低、使用寿命长、安装方便、智能可靠便于管理等优点，能有效节能，降低成本，提高节能减排的效果。
本文对新型智能NB-IoT超声波热量表的工作原理、关键技术及供暖计量中的应用给予详细描述。
新型智能NB-IoT超声波热量表在供热计量中的应用新天科技股份有限公司/费战波刘胜利关保东王保超1智能NB-IoT超声波热量表简述目前，在多种类型的热量表产品中，超声波热量表凭借着无任何传动部件、永无磨损，其计量精度和可靠性不受使用周期影响，更高准确度、更低压损等诸多优点，成为供热计量的首选产品。
针对多数采用小口径的户用超声波热量表，对于设备成本的降低、现场布线以及后期故障排查等方面带来不便的情况。
针对上述情况，一个好的解决方案为采用无线远程监控手段对超声波表运行数据进行采集和分析，做到实时监控。
如果采用现有GSM/GPRS技术来实现远程抄表，因其功耗大、信号覆盖范围有盲点和成本高等缺点，必将带来使用大容量电池、抄表可靠性受地理位置影响等问题。
而新型的基于蜂窝网络的NB-IoT技术，拥有超低功耗、深度信号覆盖、海量连接和低成本等优点，特别适合于智能仪表产品。
新型智能NB-IoT 超声波热量表很好的解决了上述诸多难题。
新型智能NB-IoT超声波热量表是在超声波热量表的基础上增加NB-IoT通信模组，通过运营商的蜂窝窄带网络实现远程数据实时采集和监控。
该系统主要由智能NB-IoT超声波热量表、运营商基站、运营商IOM平台和客户端服务器等几部分组成。
（1）智能NB-IoT超声波热量表：用来计算、显示和上传载热（冷)液体流经冷热交换系统释放（吸收）的热量的仪表。
主要由超声波流量传感器、微处理器（即计算器）、配对温度传感器和NB-IoT通信模组等部分构成。
微处理器通过流量传感器得到流量信号，从测温电路得到出口和入口水温，根据标准热量计算公式计算出冷热液体吸收图1NB-IoT超声波热量表远程抄表管理系统示意客户端服务器运营商IOM平台运营商基站小口径NB-IoT超声波热量表大口径NB-IoT超声波热量表282017年05月或释放的热量，并将热量数据上传到客户端服务器用于监控、统计分析等应用。
一种低功耗智能超声波热量表的设计
、
号： ２ ０ １ ２ ２ ０ ３ ６ ３ ３ ０ １ ． ７ ，包 括电源模块 ，按键 控制模块 ，存储模 块 ， 阀门控 制模 块 ，读写卡 模块 ，红外通信模 块 ，ＭＣ Ｕ处理 控制模 块 ， 韦根信 号采集 模块 ，温 度测量模 块 和液晶显 示模块 。上述热 量表采 用韦 根信 号 采集 模 块 ，电路 结构 复 杂 ，功耗 较 大 ，另外 ，此 种热 量表仅 仅通过 红外通 信模块 进行后 台管理 ，无法 实时进行 后 台计 费 直接连 接温度 传感器 和参考 电阻 ，就可 以进行 高精度 测量 ，性能远 ２ ｂ ｉ ｔ 的Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ 单 及管理 。本文 的 目的在 于克 服上述技 术 的不足 ，而提 供一种 低功耗 远超过热量表所需要求 。芯片 内部还集成 了 ７×３ 元 ，用于存储 热量表整表 的 Ｉ Ｄ信 息及配置寄存 器信息 。采用该 芯片 智 能 超 声 波 热 量 表 ，功 耗低 ，便 于 操 作 ，便 于后 台管 理 。 大大简化 了热量 表 的设 计开 发 ，降低材 料和人 工成本 ，实现 了更高 二 、系 统 设 计 测量 性 能 ，更 高 集 成 度 ，和更 低 功 耗 的 目的 。 本文提供 的低 功耗智 能热量表 ，包括 ＭＣ Ｕ以及分别 与 ＭＣ Ｕ连 本文超 声波热量表 采用 ＭＢ Ｕ Ｓ 总线通讯 进行 自动抄表 。现场热 接 的液 晶显 示 电路 ，红 外通 信 电路 ，按 键 ，电压 转换 电路 ，电压 量表可以通过 ＭＢ ＵＳ 将数 据上传 到集中器 ，然后由集中器 或上一级集 检测 电路 ，阀门 ，时间数 字转 换器 以及 ＭＢ ＵＳ通信 电路 。系 统结 中器通过 以太 网或 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ 通讯模块将数据传输 到供热 中心 的后台 ，进 构如 图 １所 示 。 行计费及管 理。本 文采用 Ｔ Ｉ 公司 的 ＭＢ ＵＳ芯片 Ｔ Ｓ Ｓ ７ ２ １ Ａ。该芯片是 ＭＢＵ Ｓ收发器集成 芯片 ，内含接 口电路可 以调节仪表 总线结 构中主从 机 之 间的 电平 ，同 时该 收发 器 可 由总线 供 电 ，不 增 加从 机功 耗 。 红外通信模块采用 ３ ８ ｋ Ｈ ｚ 的载波对通信数据进行调制 ，有效通信 距离达 ２ ｍ以上 ，选用波长 ９ ４ ０ ｎ ｍ的红外发射管和接 收管 。供热管 理 人员 可 以使 用手 持红外 抄表设备 对超声 波热量 表进行 抄表 。 本文 还设计 了电压 检测 电路 ，可 以监测 电池的 电压 ，当电压低 于 设 定值 时 ，将信 号反 馈 到 控制 单 元 ，并关 闭阀 门 。
智能超低功耗超声波热量表
智能超低功耗超声波热量表李微【摘要】介绍了基于高精度时间测量芯片TDC-GP2的超声波式热量表的具体设计,它是将温度测量与超声流量测量相结合的户用超声式热量表.超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法,是一种低压降和低功耗以及高精度的流量测量方法.讨论了热量计量、流量测量、温度测量原理和热量表的设计方法,与传统的热量表相比,该热量表克服了易损坏、精度低等缺陷,并且利用了微控制器的休眠模式和超声波处理电路间隔供电等方法,大幅降低了仪表系统的功耗.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2013(034)005【总页数】5页(P469-473)【关键词】计量学;超声波热量表;TDC-GP2;MSP430;时差测量【作者】李微【作者单位】宁夏大学机械工程学院,宁夏银川750021【正文语种】中文【中图分类】TB94目前，我国热量表产品主要以机械式和电磁式为主，这两种热量表存在对水质要求高、压力损失大和机械部件易磨损等缺点，无法完全满足市场需求。
与传统的机械式、电磁式热量表相比，超声波用于液体的流速测量有诸多优点，具有精度高、对水质要求低、压力损失小、可靠性高和流体温度对测量精度的影响小等特点［1］。
本文使用高精度时间转换芯片TDC-GP2设计的超声波测量系统，可以实现对小管径、低流速液体的精确测量。
此系统的硬件电路设计简单，使用超低功耗MSP430单片机，降低了系统的功耗，提高了工作效率，增加了系统的稳定性和可扩展性，可用于对家用测量仪表的开发。
超声波热量表是在超声波流量计的基础上实现温度测量的，由流体的流量和供、回水的温差来计算式中，E为热交换系统输出热量，J；t为流量累计时间，h；K为热量修正系数，它是载热液体在相应温差和压力下的函数，J/m3；Q为瞬时热水流量，m3/h；ΔT为进出口的温度差，℃。
这样就可以通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而获得消耗的热量。
超声波在流动的介质中传播时，便载上了流体的流速信息，因此，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，进而换算成流体的流量。
基于超声波检测的新型热能表设计
基于超声波检测的新型热能表设计石桂名;柏久宇;孟繁盛【摘要】According to the application of the calorimeter in our country,the new-type calorimeter’s technique scheme based on the ultrasonic measuring and met the actual demand of our country is researched in this paper.The chip TDC-GP2 which imbedding time-interval logic measuring technique is used andП pipeline technique which extending the distanceof dissemination of the ultrasonic to upgrade the dissemination time difference measure accuracy of ultrasonic to nanosecond.The calorimeter system which based on MSP430F413 is designed,the hardware circuit and software flow design are designed.The new-type calorimeter which based on the ultrasonic measuring is advanced in technology and financially feasible, increased the accuracy and the reliability.%针对我国热能表的应用现状，提出了适合我国实际需求的基于超声波检测的新型热能表方案。
基于TDC-GP22的高精度超声波热量表设计
基于TDC-GP22的高精度超声波热量表设计郭郑文;刘建明;唐霞【摘要】针对热量表精度低的问题,设计了一种高精度超声波热量表.基于V型反射时差法测流量原理,选用高精度时间测量芯片TDC-GP22、低功耗MSP43-F149单片机、Pt1000温度传感器和超声波换能器,实现流量和温度的高精度测量.利用TDC-GP22第一波检测技术对测量精度进行优化,根据温度变化调整参数取值,进一步降低误差,提高系统测量精度.实验结果表明,该热量表测量精度高,稳定性好,达到了2级表的行业标准.【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】6页(P299-304)【关键词】超声波热量表;TDC-GP22;第一波捡测;高精度【作者】郭郑文;刘建明;唐霞【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学计计算机与信息安全学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TH81我国北方寒冷地区冬天都集中供暖，采用集中供暖方式不仅易于管理还可以节约资源，减小空气污染，降低成本。
但绝大多数仍以供暖面积和使用时间作为收费依据，这使得用户对供暖能源节约意识淡漠，导致不必要的资源浪费，而且对于经常外出不在家的用户来说，花钱却没有享受到服务，相对来说不公平。
近几年，随着国民经济的高速发展，环境保护引起了高度重视，能源的利用更是大力倡导节能。
因此，国家提出要加快城镇供热体制改革，由现行按面积、按季度收取供暖费用逐步改为按户消耗热量的供暖收费方式，增强居民的节能意识。
国外一些国家的经验表明，采用热量收费方式大约可节省20%～34%的能源，因此热量表技术的应用得到了广泛的关注，全面施行以热量计量收费代替面积计量收费的方式势在必行[1]。
热量计量收费的关键是准确计量用户消耗的热量。
目前，机械式热量表存在易磨损、寿命短等缺点，随着超声波测量技术的应用得到了改善。
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ICCI（艾萨）基于相差法的超声波流量芯片UTA6905
文|冉建辉北京美科芯科技有限责任公司
【摘要】继UTA6902/UTA6903系列时差法超声波计量芯片后，ICCI公司于2014年最新推出了基于相差法的超声波热量表专用计量芯片UTA6905，专业用于超声波水表，超声波热表。
本文首先介绍了当前热量表设计的主要技术方案，着重介绍了相差积分法在产品中的应用，详细描述了UTA6905芯片的功能及技术特点，最后介绍了基于UTA6905的智能热量表设计方案。
关键词：UTA6905 相差积分法热计量芯片
Abstract：After UTA6902/UTA6903 series time-difference method ultrasonic measurement chip, the ICCI company launched a new ultrasonic heat metering ASIC UTA6905 based on phase-difference method in 2014. In this paper, we will make a introduction about the mostly used technical solutions for ultrasonic heat meter, especially phase-difference method , then we will describe the main features of UTA6905, and at last we will give a example shows how to deign an intelligent ultrasonic heat meter based on UTA6905.
Keywords: UTA6905, phase-difference method, heat-meter chip.
1. 概述
对流量的精准计量更是当前超声波热量表设计技术中的一大难点，相差积分法(下文简称相差法)和时差法是的两种比较常用的流量计量手段，不同的设计厂商分别针对两种原理研发出各自的整机方案，其中均不乏优秀的产品，使得两种方案的产品在国内都得到了广泛应用。
从产品采用的计量芯片类型看，时差法方案采用以ACAM公司和美国ICCI公司为代表的专用芯片，这类芯片集成了时差法计量需要的所有功能，只需加少量外围器件即可构成热表整机；而相差法方案目前仍然以分立器件为主，存在器件数量较多、模拟电路较为复杂以及整机功耗偏大的缺点。
为了更好地服务采用相差法方案的设计厂商，2014年8月，北京美科芯科技有限公司联合美国ICCI公司共同发布了业界首款基于相差法的智能超声波热量表专用芯片UTA6905。
UTA6905采用了先进的数字化方式进行相差的提取、测量和积分运算，测量结果的分辨率达到32ps。
此外为满足热量表智能化的需求，UTA6905还提供了换能器故障检测、回波振幅检测、第一波检测等自我诊断功能，使得厂商可以及时了解产品运行环境甚至部件的工作状态，及时对工作异常的产品做出分析和处理。
2. UTA6905主要功能
如图1所示，UTA6905内部集成了相位差测量单元、脉冲发生器、温度测量单元、比较器、模拟开关等相差法超声波热量表必须的部件，还集成了多种的自诊断部件，这些部件主要包括：第一波检测、换能器回波振幅检测和换能器故障检测。
UTA6905的温度测量单元继承了UTA6902/6903芯片的电路结构，分辨率高达0.002℃；基于相差法的流量测量单元测量分辨率可达32ps。
下面仅对用户最关心的相差法流量计量功能、自诊断功能和功耗表现做详细的介绍。
图1 UTA6905内部功能框图
2.1. 相差法流量计量单元
无论相差法还是时差法，其根本目的还是得到超声波信号在顺流和逆流两种流体状态下的传播延时之差，从而推算出流速。
所谓时差法是指直接测量出超声波信号从发出到接收到的传播延时，顺逆流相减即可得到传播时差；而相差法则是通过某种技术手段，得到顺逆流回波信号的相位差信息，推算出超声波顺逆流的传播时差。
通常情况下需要对多个相位差脉宽进行累加积分，以降低测量误差，这就是相差积分法的由来。
基本原理如图2所示。
参考信号
顺流回波
逆流回波
顺流相差
逆流相差
顺逆相差
图2 相差法原理图
由于存在相位差累加积分，相差法对于偶然误差和干扰误差的消除具有较强的优势，特别是在流量测量过程中，相差法提供的数据是进行滤波算法之后的平均值，波动性更小，更接近真实流量。
三个关键技术点保证了UTA6905能够得到高精度的测量结果：
1) 斩波比较器失调电压低至1mV且不随温度变化。
2) 分辨率高达32ps的时间测量技术。
3) 对1-31组相位差积分降低了测量误差。
2.2. 自诊断功能
UTA6905提供了三项自诊断功能：换能器故障检测、回波振幅检测、第一波检测。
下面分别介绍这三项功能。
●换能器故障检测
由于长期处于高温高湿及水流冲刷的工作环境，换能器故障成为热量表失效的一个重要因素，统计表明，换能器断线或者振子脱落是其中两类主要原因，UTA6905利用换能器发射端在发射结束后的余波对换能器的状态做出判断，它可以对余波的个数进行计数。
图3展示的是实验测试的一款换能器，正常换能器的余波个数为4-5个，断线状态下降低为0，振子脱落的换能器余波个数上升至10个甚至更多。
图3 正常换能器及故障换能器的区别
●回波振幅检测
UTA6905的振幅检测单元可以测量出超声波回波在稳定状态的振幅电压，最大量程500mv，分辨率可达8mV，通过这项功能能够判断换能器是否存在老化或者反射部件结垢现象，为长时间运行的热量表在线监测功能提供支持。
同时此功能和换能器余波检测功能相结合，UTA6905芯片使空管检测功能更加简便、可靠。
●第一波检测
UTA6905可以测量出从超声波脉冲发射到第一个接收波的传播时间，其计时分辨率达到32ps，且可通过合适的配置完全消除空管状态下可能出现的干扰信号，在管道无水的状态下这个计时器会报告超时状态，也可作为空管检测的一项依据。
2.3. 功耗表现
UTA6905采用了新一代低漏电工艺设计，采用3.3V供电时，静态电流低至5nA，32kHz 晶体振荡器工作电流低至0.3uA。
其温度采集单元在30秒运行一次的情况下，平均电流低至0.08uA。
模拟电路只有在流量采集过程中供电，工作电流约0.8mA，一次测量过程中工作300-400us。
相差测量及积分电路瞬时电流约4mA，一次上下游测量过程仅需工作50us。
从系统角度看，与分立元件为主的相差法超声波热量表产品解决方案相比，UTA6905仅需MCU发送一次命令即可完成流量或温度采集过程，降低了MCU的运行时间，对降低系统功耗有明显的好处，在热量表的设计中，还可以根据自诊断部件的检测状态判断目前管道中是否有水，实现在空管状态下降低测量频率，从而以减小电流消耗，使得整台设备的平均电流很容易降至10～15uA，一节AA型号的锂亚硫酰氯电池就可以使整个系统工作10年。
3. 基于UTA6905的热量表设计
UTA6905需要用到4MHz和32KHz两组晶体振荡器提供工作时钟；温度测量电路需要用到两个PT500/PT1000的电阻以及一个低温漂的标准电阻，外加一只充电电容；流量测量通路也仅需少量的电阻电容和一对换能器；外部再加上一个简单的MCU及其他通信和显示器件，就可以构成一只完整的超声波热量表，原理图如图4所示。
UTA6905
POWER
RS232/MBUS/WIRELESS LCD-D ISPLAY
SSN
150n
1000
PT1
PT2
PT3
PT4
PT1000
PT1000
LOADT
SENSET
32768Hz
15pF
CLK32IN CLK32OUT
15pF
10M
4MHZ
15pF
XIN XOUT
15pF
560K
T1
FIRE_UP
FIRE_DOWN
STOP2
STOP1
10n10n
330
330
INTN SO SCK
SI
T2
MCU
图4 基于UTA6905的热量表原理框图
4. 总结
综上所述，使用UTA6905芯片的相差法超声波热量表方案具有更低的成本和更高的计量精度，设计者还可以利用该芯片提供的自诊断功能，研制出一款具备自检测功能的智能化热量表，不仅有利于降低产品故障诊断时间以及生产费用，而且有利于提升产品竞争力、树立品牌形象。