基于UTA6905的超声波热量表设计

1 概述

随着供热计费体制改革的不断推进，热量表市场逐年扩大，目前国内热量表以机械式和超声波式为主，其中机械式热量表成本比较低，但对水质要求比较高，使用寿命短，而超声波式热量表因为没有磨损部件，其精度和使用寿命都有较大优势，在市场中占居越来越大的份额。一款热量表的核心功能是对热量的精准测量，实现该目标的两个最主要因素是对水流温度和流量的精确测量，此外还要有合理的热量计算法，并且整个系统的功耗也要满足电池供电的要求。从目前热量表技术的发展看，温度测量比较容易满足精度要求，而对流量的精确测量是超声波热量表设计中的一大难点。

利用超声波在顺流和逆流中的传输速度不同实现流量的测量，如图1所示，流量管道直径为D，两个换能器之间的水平距离为L，超声波在水中的传输速度为c，管道中流体速度为v，可以得到超声波在顺流和逆流传播过程中的渡越时间分别为：

    （1）

    （2）

图1 超声波测量流量原理

其中，t₀为超声波在水中垂直于水流方向的传播时间和电路延迟时间之和，由式（1）、（2）可以推得超声波在顺流和逆流过程中的传播时间差△t：

    （3）

由于超声波在水中的传播速度远大于水的流速，故由式（3）可得：

    （4）

热量表对时差的测量精度有很高要求，根据推算，时差的测量精度需要高达100ps左右，本文选用UTA6905芯片完成这一功能，使用UTA6905芯片测量传播时间差△t的原理如图2所示，它不是直接测量发射脉冲到回波信号的传播时间，而是测量回波信号相对于发射信号同步参考信号的相位差，然后由顺流相差和逆流相差得到顺逆流回波信号的相位差，这个相位差和传播时差是等效的。本文将介绍一款基于UTA6905的热量表软硬件设计方案，并提供测试测试数据及结论。

图2 UTA6905芯片相差法原理

2 热量表的硬件设计

2.1 UTA6905介绍

UTA6905是一款ICCI公司于2014年下半年推出的超声波热量表、流量表专用芯片，工作电压为2.6~3.6V，适合使用电池供电。UTA6905通过SPI接口与MCU进行通信，内部具备相位差测量单元、脉冲发生器、温度测量单元、比较器、模拟开关等超声波热量表必须的部件，还支持第一波检测、换能器回波振幅检测和换能器断线检测等功能。该芯片的温度测量分辨率高达0.002℃；流量测量单元测量分辨率可达32ps；芯片静态电流低至5nA，32kHz晶体振荡器工作电流低至0.3uA，有利于降低整机的待机功耗。

2.2 热量表硬件组成

基于UTA6905的热量表方案硬件电路框图如图3所示，主要包括MSP430单片机，流量测量专用芯片UTA6905、管段及换能器、PT1000铂电阻、红外通信和MBUS通信接口等。方案实现的主要功能有相差法流量测量、回波信号幅值检测、第一波检测、空管检测、换能器断线/故障检测等。

图3 热量表方案硬件电路框图

UTA6905芯片内部集成大量功能电路，外围只需较少的阻容器件即可配合MCU实现完整热量表方案，并且UTA6905芯片PIN对PIN兼容于艾萨UTA6903芯片，方便用户硬件升级。

MSP430F417是整个系统的控制核心，其低功耗特性特别适合电池供电场场合，其通过IO模拟SPI连接UTA6905、此外还通过不同的IO连接通信、电压检测等各个模块。电源部分由稳压芯片将电池电压降低至3.0V，有利于进一步降低功耗。UTA6905的外围器件比较少，其工作所需的32K时钟由MSP430单片机在芯片的CLK32OUT引脚上提供，4M高速时钟选用起振速度快的陶瓷振荡器；每个超声波换能器分别通过一个电容和一个电阻接到芯片的FIRE和STOP引脚；温度测量采用通用的PT1000电阻，测温功能还需要充放电的电容选用TaiyoYuden公司cfcap系列100nf电容；MBUS通信电路包括ICCI的UTT821S芯片及其外围电路；红外通信包括红外二极管以及必要的驱动电路；LCD负责流量、热量、温度等参数的显示，MSP430F417单片机自带LCD驱动，无须外加专用显示驱动芯片。

元件的选择和PCB布局布线会对测量结果有所影响，为提高测量精度，在时差测量电路中，要求2只换能器严格配对、PCB走线对称，并加入地线屏蔽；测温电路方面，要求选用低失真充放电电容，并且两只PT1000电阻严格配对，PCB走线对称。实验表明这些措施不仅有利于提高测量数据的精度和稳定性，还可以降低数据处理的工作量，降低功耗。

3 热量表的软件设计

基于UTA6905的热量表方案主程序流程如图4所示，上电复位完成后，系统进行硬件的初始化，然后从存储区域读出后续测量必要的参数，之后开始不同任务的循环调度。

图4 热量表软件流程

MCU的主要任务包括：时差测量和瞬时流量的计算、温度测量和计算、累积流量和热量的计算、按键处理、通信处理、系统自检、数据存储等，在运行完当前所有要求的任务后，系统进入待机状态，这也是绝大部分情况下系统所处的状态。在本方案中，每4秒钟进行一次流量测量，每30秒钟进行一次温度测量，在充分满足精度要求的前提下，系统平均功耗20uA；在进入休眠状态时，MSP430单片机仅有32K时钟、定时器和外中断系统处于工作状态，UTA6905芯片的高速振荡器和模拟电路关闭，整个系统只有6uA左右的消耗电流。

MCU控制UTA6905进行流量测量的流程为：首先通过UTA6905提供的第一波功能判断出第一个回波大体的回波时间，在这个时间基础上加上一个合适的数值，确保测量的屏蔽窗口设置在回波振幅已经稳定的位置上，以保证参与测量的每个回波形状一致；在测量相位差时，首先将寄存器配置为FIRE_UP发送脉冲，然后发送测量命令START_TOF，UTA6905开始从FIRE_UP上发出指定个数的方波脉冲去驱动发送换能器，发出的超声波经过一段传播时间到达接收换能器，在UTA6905内部，接收到的回波信号被比较器整形为方波信号，测量出该方波信号与一组FIRE_UP同步脉冲的相位差，其单个相位差的测量精度达到32ps，UTA6905可以连续测量1-31组这样的相位差数据，之后进行累加积分，得到顺流回波信号相对于发射波的相位延迟，结果通过SPI读出；以同样的方式在FIRE_DOWN上进行一次测量，得到逆流回波相对于发射波的相位延迟；之后根据UTA6905提供的计算方式可以计算出超声波信号在顺逆流中的传播时差。

MCU控制UTA6905进行流体温度测量的流程为：发送START_TEMP命令，UTA6905会依次对4路温度传感器和电容构成电路进行充放电，记录四组放电时间，通过简单的比值计算可以得到两路PT1000电阻的阻值，通过查表的方式得到对应的温度值。

获得时差和温度参数后，MCU通过k系数法计算热量，有标准的公式及计算方法可以参考，不再赘述。

热量表的发展在保证计量精度的基础上逐渐向智能化发展，在热量表安装和使用过程中出现的多种问题，如果能够实现自动检测和提前预知就会大大提高热量表的智能化设计，UTA905芯片具有的状态检测功能可方便的帮助客户实现上述设计。例如换能器在使用过程中可能会随时间推移有老化、结垢的现象，导致回波振幅降低，引起测量精度下降，使用UTA6905芯片的回波幅值检测功能，可使系统自动读取回波幅值大小，迅速找到问题产生原因。换能器的特性是在激励脉冲结束后仍能持续一段时间的余震，UTA6905利用这个现象可以迅速的判断换能器是否出现断线或者损坏故障。以配置FIRE_UP为脉冲发射端口为例，UTA6905在发送完成fire脉冲后，对STOP1引脚上收到的余波进行脉冲整形和计数，若计数值为0则表示发射换能器已经与线路板断开或者换能器损坏，不能产生余震。另外，UTA6905芯片还升级了空管检测的方式，管段是否处于无水状态可以通过START_TOF命令结束后状态寄存器中的超时标志反映出来，不再需要外围配置器件。对于温度传感器的开路或者短路问题，在UTA6905芯片START_TEMP命令结束后，即可在状态寄存器中反映出来。这些功能均可大大方便客户的智能化设计。

4 测试结果

对本方案的样机进行功能测试表明，温度、流量、热量、显示和通信等功能均能正常运行；空管、换能器断线、换能器振幅、温度线的断路和短路状态、电池欠压均等状态均能正确地检测出来；整机电流约为20uA，满足电池长期供电要求。

将多只样机在热量表专用校表机台上进行校准和性能参数的测试，测试结果表明，流量测量误差完全满足国标二级表的要求，同时对于更换测量时间段，更换表位的测试，误差均保持良好的一致性。尤其对于小流量，突出显示出相差法的测量优势。因篇幅原因，仅列出35℃大中小三个典型流量点下3次重复测量的流量误差统计，如表1所示。

表1 样机测试结果误差

5 总结

基于UTA6905的热量表设计方案，采用相差积分法的原理进行流量测量，采用集成的温度单元进行温度测量，并充分利用了UTA6905提供的振幅检测、断线检测等自诊断功能降低产品生产和维护成本，测试结果表明该方案能够满足热能计量精度和功耗的要求，具有广阔的应用前景。