超聲波熱量表的Z佳解決方案

　　長期以來，我國北方地區城鎮居民采暖一般按住宅面積而不是實際用熱量收費，導致用戶節能意識差，造成嚴重的資源浪費，顯然該計量方法缺乏科學性。隨著能源短缺，國家提倡節能減排，這種粗放式的供暖方式嚴重違背了環保概念，隨之而來的是分戶計量，按需取暖的供暖方式。
　　
　　在八十年代初，歐美等發達國家的熱量表使用已相當普遍，熱力公司以熱量表作為計價收費的依據和手段，節能20％～30％。作為建筑節能的一項基本措施，國家建設部已將熱量計量收費列入《建筑節能“九五”計劃和2010年規劃》：對集中供暖的民用建筑安裝熱表及有關調節設備并按戶計量收費的工作，1998年通過試點取得成效，開始推廣，2000年在重點城市新建小區推行，2010年全面推廣。
　　
　　目前計量改革正在逐步展開，供熱改革也在同時進行。而作為計量改革中的一個非常重要的環節，分戶計量的熱量表也迎來了一個非常好的發展時期。
　　
　　不同性能的熱量表分析
　　
　　目前市場上的熱量表有多種，按照不同的標準有不同的分類。
　　
　　按物理特性可分為有磁熱量表和無磁熱量表。所謂“有磁熱量表”是指在流量信號采集上采用磁性（磁鐵）傳感器，如“韋根”，“霍爾”，“干簧管”等?，F在“霍爾、干簧管“采集信號已經被市場淘汰。通常所說的有磁一般都指“韋根”熱量表。而“無磁熱量表”是指熱量表在流量信號采集上利用電感振蕩原理或超聲波原理取得的，沒有任何磁鐵及磁性物質。
　　
　　由于國內供暖環境差，熱水中摻雜著大良的雜質，其中包括金屬等，這對于“有磁熱量表”來說是一個很大的挑戰，以至于目前“有磁熱量表”在國內沒有市場，現在使用的基本都是“無磁熱量表”
　　
　　按機械特性分，則可分為機械式、機電式和電子式。其中機械式是指整個表都為機械部件組成，無電子元件。這種類型技術門檻低，價格便宜，是早前的主流產品，但它的抗*力差，機械齒輪容易被雜質卡住或損壞，且不適應電子化潮流。為克服以上種種問題，市場上出現了改進型的機電式熱能表。機電式是在機械式表的基礎上增加電子顯示、計費、抄表等功能模塊。但它始終只是在機械表的基礎上加電子控制板發展而來，無法解決抗*力差的問題。
　　
　　全新的電子式熱能表在此環境下應運而生。電子式則是指整個表全由電子器件組成，無機械部分，不存在損壞和卡表的故障，抗*力強，在擴展和升級方面很方便，符合市場發展方向。　　
　　超聲波熱量表
　　
　　電子式熱能表取代傳統熱能表成為主流已呈明顯趨勢，而在電子式領域中，超聲波技術以其諸多的優點深受歡迎。
　　
　　超聲波熱量表（UltrasonicHeatmeter）是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計算出向用戶提供的熱量。
　　
　　其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。如圖2所示：　　
　　獲得流量后，再通過分設在進水管和出水管上的兩個溫度傳感器，分別測出進水的溫度和出水的溫度，算出進出水的溫差。利用流量傳感器對供水管道的瞬時熱水流量Q進行計量，經過一定時間的累計，便得到用戶消耗的熱量值。
　　
　　目前，在電子式領域中存在兩種超聲波熱能表方案，下面對這兩種方案進行分析，如圖示：　　　　
　　該方案的核心是ACAM公司的時間數字轉換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的時間測量功能，分辨率達到65ps，為時差法流量計的應用提供了基本的測量保障；TDC-GP2的脈沖發生器在小管徑的流量測量中可直接驅動超聲波換能器，無需另外增加驅動芯片；TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計的整體功耗大幅降低，為電池供電設備提供了優良的解決方案。
　　
　　使用TDC-GP2的超聲波流量計方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，大大簡化了硬件電路設計，只需搭配MCU和簡單的比較器、模擬開關元件就可完成控制和時間測量回路的設計。該方案使電路設計得到簡化的同時大大縮小了設備的PCB面積，使設備的生產、維護也更加方便容易。
　　
　　TDC-GP2還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進行溫度測量，這為熱量表的應用提供了集成化的解決方案。
　　
　　GP2的優勢：
　　
　　1、高精度分析：TDC-GP2的單次時間間隔測量的典型精度為65ps,也就是說內部通過1個邏輯門的時間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數據統計特性。通過多次平均測量可以使時間測量的典型精度降到10ps左右，這樣的數據可以使在測量很小流量（例如1.6m3/h）的情況下同樣可以得到非常好的精度。
　　
　　2、低功耗分析：GP2將測量以脈沖的形式來進行，尤其在超聲波測量中，TDC的核心測量單元并不是時時刻刻都在工作的。它只測量start信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿和stop信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿，而中間的時間則由通過計算時鐘的周期數來完成，這樣的測量原理使測量時間的功耗降到非常低的水平。整個系統的電流消耗在3-5μA的范圍之內。如果采用低功耗的微處理器（如SILBAS公司的C8051F92x/93x系列），則整臺設備的平均電流消耗可以降至10-15μA。