基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905

上网时间: 2015年06月01日? 我来评论 【字号: ? ?小】

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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。

基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905_ESMCOL_1

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。

基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905_ESMCOL_2

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。

基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905_ESMCOL_3

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。

基于相差法的智能超声波热量表芯片UTA6905_ESMCOL_4

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。


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