1. 概述

對流量的精準計量更是當前超聲波熱量表設計技術中的一大難點，相差積分法(下文簡稱相差法)和時差法是的兩種比較常用的流量計量手段，不同的設計廠商分別針對兩種原理研發出各自的整機方案，其中均不乏優秀的產品，使得兩種方案的產品在國內都得到了廣泛應用。從產品采用的計量芯片類型看，時差法方案采用以ACAM公司和美國ICCI公司為代表的專用芯片，這類芯片集成了時差法計量需要的所有功能，只需加少量外圍器件即可構成熱表整機；而相差法方案目前仍然以分立器件為主，存在器件數量較多、模擬電路較為復雜以及整機功耗偏大的缺點。

為了更好地服務采用相差法方案的設計廠商，2014年8月，北京美科芯科技有限公司聯合美國ICCI公司共同發布了業界首款基于相差法的智能超聲波熱量表專用芯片UTA6905。UTA6905采用了先進的數字化方式進行相差的提取、測量和積分運算，測量結果的分辨率達到32ps。此外為滿足熱量表智能化的需求，UTA6905還提供了換能器故障檢測、回波振幅檢測、第一波檢測等自我診斷功能，使得廠商可以及時了解產品運行環境甚至部件的工作狀態，及時對工作異常的產品做出分析和處理。

2. UTA6905主要功能

如圖1所示，UTA6905內部集成了相位差測量單元、脈沖發生器、溫度測量單元、比較器、模擬開關等相差法超聲波熱量表必須的部件，還集成了多種的自診斷部件，這些部件主要包括：第一波檢測、換能器回波振幅檢測和換能器故障檢測。UTA6905的溫度測量單元繼承了UTA6902/6903芯片的電路結構，分辨率高達0.002℃；基于相差法的流量測量單元測量分辨率可達32ps。

下面僅對用戶最關心的相差法流量計量功能、自診斷功能和功耗表現做詳細的介紹。

 

圖1 UTA6905內部功能框圖

 2.1. 相差法流量計量單元

無論相差法還是時差法，其根本目的還是得到超聲波信號在順流和逆流兩種流體狀態下的傳播延時之差，從而推算出流速。所謂時差法是指直接測量出超聲波信號從發出到接收到的傳播延時，順逆流相減即可得到傳播時差；而相差法則是通過某種技術手段，得到順逆流回波信號的相位差信息，推算出超聲波順逆流的傳播時差。通常情況下需要對多個相位差脈寬進行累加積分，以降低測量誤差，這就是相差積分法的由來?；驹砣鐖D2所示。

圖2 相差法原理圖

 由于存在相位差累加積分，相差法對于偶然誤差和干擾誤差的消除具有較強的優勢，特別是在流量測量過程中，相差法提供的數據是進行濾波算法之后的平均值，波動性更小，更接近真實流量。

三個關鍵技術點保證了UTA6905能夠得到高精度的測量結果：

1)斬波比較器失調電壓低至1mV且不隨溫度變化 。

 2)分辨率高達32ps的時間測量技術。

 3)對1-31組相位差積分降低了測量誤差。

2.2. 自診斷功能

UTA6905提供了三項自診斷功能：換能器故障檢測、回波振幅檢測、第一波檢測。下面分別介紹這三項功能。

換能器故障檢測

由于長期處于高溫高濕及水流沖刷的工作環境，換能器故障成為熱量表失效的一個重要因素，統計表明，換能器斷線或者振子脫落是其中兩類主要原因，UTA6905利用換能器發射端在發射結束后的余波對換能器的狀態做出判斷，它可以對余波的個數進行計數。圖3展示的是實驗測試的一款換能器，正常換能器的余波個數為4-5個，斷線狀態下降低為0，振子脫落的換能器余波個數上升至10個甚至更多。

圖3 正常換能器及故障換能器的區別

 回波振幅檢測

UTA6905的振幅檢測單元可以測量出超聲波回波在穩定狀態的振幅電壓，最大量程500mv，分辨率可達8mV，通過這項功能能夠判斷換能器是否存在老化或者反射部件結垢現象，為長時間運行的熱量表在線監測功能提供支持。

同時此功能和換能器余波檢測功能相結合，UTA6905芯片使空管檢測功能更加簡便、可靠。

第一波檢測

UTA6905可以測量出從超聲波脈沖發射到第一個接收波的傳播時間，其計時分辨率達到32ps，且可通過合適的配置完全消除空管狀態下可能出現的干擾信號，在管道無水的狀態下這個計時器會報告超時狀態，也可作為空管檢測的一項依據。

2.3. 功耗表現

UTA6905采用了新一代低漏電工藝設計，采用3.3V供電時，靜態電流低至5nA，32kHz晶體振蕩器工作電流低至0.3uA。其溫度采集單元在30秒運行一次的情況下，平均電流低至0.08uA。模擬電路只有在流量采集過程中供電，工作電流約0.8mA，一次測量過程中工作300-400us。相差測量及積分電路瞬時電流約4mA，一次上下游測量過程僅需工作50us。

從系統角度看，與分立元件為主的相差法超聲波熱量表產品解決方案相比，UTA6905僅需MCU發送一次命令即可完成流量或溫度采集過程，降低了MCU的運行時間，對降低系統功耗有明顯的好處，在熱量表的設計中，還可以根據自診斷部件的檢測狀態判斷目前管道中是否有水，實現在空管狀態下降低測量頻率，從而以減小電流消耗，使得整臺設備的平均電流很容易降至 10～15uA，一節 AA型號的鋰亞硫酰氯電池就可以使整個系統工作10年。

3. 基于UTA6905的熱量表設計

UTA6905需要用到4MHz和32KHz兩組晶體振蕩器提供工作時鐘；溫度測量電路需要用到兩個PT500/PT1000的電阻以及一個低溫漂的標準電阻，外加一只充電電容；流量測量通路也僅需少量的電阻電容和一對換能器；外部再加上一個簡單的MCU及其他通信和顯示器件，就可以構成一只完整的超聲波熱量表，原理圖如圖4所示。

圖4 基于UTA6905的熱量表原理框圖

 4. 總結

綜上所述，使用UTA6905芯片的相差法超聲波熱量表方案具有更低的成本和更高的計量精度，設計者還可以利用該芯片提供的自診斷功能，研制出一款具備自檢測功能的智能化熱量表，不僅有利于降低產品故障診斷時間以及生產費用，而且有利于提升產品競爭力、樹立品牌形象。 來源：國際電子商情