摘 要 介绍了时差法超声波热能表检测流量原理，阐述了由德国 ACAM 公司的高精度时间测量芯片TDC-GP2 和 16 位超低功耗单片机 MSP430F413 组成的高精度测量电路的硬件及软件设计。详细分析了高精度测量技术与高精度测量原理，最后提出了一种提高时差法测量精度的方法———Π 型管技术。
在建设节能型社会需求的推动下，实现按热能表分户计量收费的热能检测技术成为目前研究的热点。而超声波流量检测技术的流量测量精度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，在热能表研究中成为首选。但使用超声波进行测量时顺流和逆流的时差十分微小( 通常是纳秒级) ，而普通的微处理器指令一般都是数十纳秒或微秒级，所以很难测得其精确时间。笔者提出一种新型 П 型管技术延长超声波声程，同时采用高精度时间测量芯片 TDC-GP2，提高时间测量的准确性和可靠性，实现了用时差法精确地测量液体流量的目的。①
1 时差法超声波检测流量原理
超声波在流动的液体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而转换成流量。“V”字形超声波时差法测流原理[1]如图 1 所示。
由以上分析可以看出，对超声波在介质中的传播时间 tup、tdown的测量精度将直接影响流速测量的精度，进而影响流量的测量精度，所以高精度的时间测量方法是整个测量系统的关键。
2 硬件设计
2. 1 测量系统组成
设计中主要采用德国 ACAM 公司的高精度测量芯片 TDC-GP2，这部分主要实现两方面的功能，其结构框图[2]如图 2 所示。
测量超声波信号在一般流速的液体中顺流传播和逆流传播时间的功能———首先测量顺流方向上的传播时间，然后在切换电路的控制下改变超声波信号的传播方向，再测量逆流方向上的传播时间，以实现测量超声波信号顺流和逆流传播时差的目的。
测量热水在进水管和回水管的温度的功能———设计中基于电容放电原理，通过外围放电电路，测量电容分别对温度传感器电阻和参考电阻的放电时间，然后通过查表匹配得到相应的温度值。
2. 2 超声波高精度时差测量电路
热能表高精度时差测量电路[3，4]的设计中所采用的核心元件是高精度时差测量芯片 TDC-GP2，它通过四线 SPI( 串行外围设备接口) 接口与处理器进行数据交互，数据交互必须严格按照时序的要求进行，时序由软件模拟产生。在进行时差或者温差测量时，处理器先要对内部寄存器进行配置，然后通过对寄存器的控制和发送特殊命令以实现相应的功能。时差测量电路主体由 16位超低功耗单片机 MSP430F413 与高精度测量芯片 TDC-GP2 组成，电路原理图如图 3 所示。
2. 3 时间间隔测量原理
TDC-GP2 是德国 ACAM 公司生产的高精度时差测量芯片，具有高速脉冲发生器、停止信号使能、温度测量和时钟控制等功能，这些特殊的功能模块使得它非常适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。图 4 显示了这种测量绝对时间 TDC 的主要构架。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数[5]。芯片还能获得的最高测量精度基本上由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定。测量单元由 Start 信号触发，接收到 Stop 信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 Start 信号和 Stop 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。
3 高精度测量方法
3. 1 高精度测量原理
数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。在测量范围两种采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔，分辨率保持不变。在此模式下，TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从 Start 或Stop 信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间。在两次精密测量之间，TDC 记下基准时钟的周期数[4]。
3. 2 П 形管技术
Π 形管是把两个超声波换能器安装在直管段的两端，实物外形如图 5 所示。
4 时差测量软件流程
基于超声波检测技术的热能表系统中的测量控制模块包括超声波信号顺/逆流方向上传播时间的测量和进/出水管水温的测量。超声波传播时间测量流程[6]如图 6 所示。
5 结束语
超声波热能表是在单片机的控制下利用超声波技术对用户使用的流量进行采集，然后通过一定的算法转换成热量，提高了热量计量的准确性和可靠性。由于时间测量和降低功耗是超声波热能表设计的核心，所以笔者使用了专用的时间测量芯 片 TDC-GP2 和 16 位 超 低 功 耗 单 片 机MSP430F413，实现高精度的时间测量，并采用了一种延长超声波声程的 П 形管技术来提高时间测量的准确性和可靠性。以目前民用的输暖管( 内径 25mm) 为例[7]，在实验室环境下测量时间为 1 ～3ns。
参 考 文 献
[1] 张梦，张辉. 高精度超声波流量计的设计[J]. 计量装置及应用，2010，( 3) : 35 ～37.
[2] 华陈权，王昌明，耿艳峰等. 非标刻度气体转子流量计的流量换算[J]. 化工自动化及仪表，2009，36( 5) : 48 ～49.
[3] 肖玲，刘连景. 德国 SWR( 斯威尔) 流量计在粉煤气化装置 - 航天炉中的应用[J]. 化工自动化及仪表，2010，37( 5) : 110 ～ 113.
[4] 魏小龙. MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社，2002:16 ～ 25.
[5] 郭晓伟. 嵌入式超声测井数据采集系统[J]. 化工自动化及仪表，2010，37( 2) : 98 ～99.
[6] 德国 acam messelectroNIc 有限公司. TDC-GP2 用户手册[DB/OL]. ( 2007-1-11) [2010-6-2].
[7] 王琴梅，左信. 安全仪表系统整改时间的确定[J].化工自动化及仪表，2010，37( 1) : 45 ～48.
