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数字相差测量芯片在 超声波热表/水表中的应用
目录
数字相差流量测量芯片
开启智能化热/水表设计
艾萨半导体
Zigbee通讯产品
1、
2、
3、
4、
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.1 UTA6905 新特性
数字相差技术
回波幅值检测
换能器故障检测
第一波检测
可选的滤波方式
PIN TO PIN 兼容6903
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.1 数字相差技术
UTA6905 通过测量顺逆流两个方向的回波信号相
对于内部参考信号的相位差，从而计算出顺逆流回波信号之间的相位差。
通过数字积分电路对相差信号进行积分，得到顺流或逆流回波信号的相位差值△t’1、△t’2。
通过△t’1、△t’2精确计算出液体流量和流速。
2.1 数字相差技术
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.1 数字相差技术
连续计量多达31个回波的相差值，使流量测量波动性更小，重复性更好。
采用高分辨率的TDC（单精度64ps，双精度32ps）计量相差信号，结果精度更高，稳定性更好。
自动顺逆流测量，自动结果累加，减少SPI通讯时间30%，整机功耗更低。
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
技术优势：
回波测量更稳定；小流量测量精度提高
2.2 回波幅值检测
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
如何判断回波信号质量？
换能器之间的匹配，流体介质中的气泡、杂质影响，这些都会导致回波信号发生变化。
如何提前预知换能器故障？
随着应用时间的增长，换能器元件老化或者结垢等原因会使信号会发生衰减。
如何实现前级放大输出自调整？
在气表或其他应用场合，回波信号不断发生变化，需要保证前级放大器输出自稳定。
测试数据如下：
2.2 回波幅值检测
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
标准信号 单位：mv 15 28 45 61 81 100 112 125 145 160 170 185 203 217 237 253 265 280 296 313 332 347 362 376 390 408 422 440 VECHO
寄存器 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56
计算结果 15 31 47 62 78 94 109 125 141 156 172 188 203 219 235 250 266 282 297 313 329 344 360 376 391 407 423 438
2.2 回波幅值检测
逐次逼近式检测，在量程中由高到低检测；
500mv/250mv 量程可选： 在VECHO_RNG 中设置振幅测量量程：
VECHO_RNG=100 ：Vrng=0.152VCC，（500mV @VCC=3.3V）
VECHO_RNG=001 ：Vrng=0.076VCC，（250mV @VCC=3.3V）
分辨率：量程/32
最大测量31次回波
终止电压可设定
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.2 回波幅值检测
有效检测管段或换能器工作状态
提供在线工作状态参考
提前预知换能器故障
小提示：
建议把屏蔽寄存器DEVAL设置到回波稳定部分，避开振幅未稳定的波形
合理设定终止电压，更节省测量时间和功耗
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.3 换能器故障检测
更加有效的断线检测机制：
可进行故障定位：顺流/逆流换能器断线
压电陶瓷工作异常检测
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.3 换能器故障检测
UTA6905 换能器故障检测的原理为：正常情况
下，换能器在发送激励脉冲后，存在一个阻尼振荡的过程，也就是通常所说的余波，UTA6905芯片会检测衰减的振荡余波。
断线状态下：没有振荡余波
压电陶瓷异常：振荡余波个数异常
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.3 换能器故障检测
UTA6905 内部的比较器可以将阻尼振荡整形为方波并进行计数，通过计数值反映换能器的状况。
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.4 第一波检测
继承和优化了首波检测功能。
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.4 第一波检测
有效滤除外部干扰信号
更加稳定的指示空管状态：
空管状态指示：超时溢出标志
回波不满足设定个数指示
小提示：此时输出时差信号而非相差信号
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
2.5 可选的滤波方式
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
增强的抗干扰措施：
方式一：第一波检测
方式二：屏蔽窗
方式三：内部硬件滤波（新增功能）
2.5 可选的滤波方式
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
UTA6905每个流量方向最多可采集31组相差数据，通过寄存器配置可打开/关断硬件滤波。
滤波方式可选：
滤除1个max和1个min测量数据
滤除2个max和2个min测量数据
滤除3个max和1个min测量数据
滤除1个max和3个min测量数据
滤除后的数据自动累加处理。
2.6 PIN TO PIN 兼容6903
硬件电路：基本不需要改动。 软件修改：只需修改采集方式，基本不需要修改算法。
2、数字相差流量测量芯片--UTA6905
目录
数字相差流量测量芯片
开启智能化热/水表设计
艾萨半导体
Zigbee通讯产品
1、
2、
3、
4、
3、开启智能化热/水表设计
UTA6905芯片不仅适合于热表设计，更适合于水表设计。
超声波水表技术特点：
始动流量要求更低(2L/h)
小流量计量要求精度更高
整机功耗要求严格
3.1 超声波热/水表原理框图：
3、开启智能化热/水表设计
3、开启智能化热/水表设计
基本原理图
3、开启智能化热/水表设计
设计要点：
1、专用集成电路是关键
不论是时差法还是相位差法，专用集成电路的测量结果稳定是
关键。
2、多脉冲激励换能器：
相差法设计，多脉冲激励是关键。数量较少的脉冲波难以充分激励换能器，不能得到足够数量的回波，多数情况下使用换能器激励达到几十个脉冲。
3、开启智能化热/水表设计
设计要点：
3、回波接收：
回波接收选择在信号幅值稳定的位置，接收数量建议15-20个。
过多的回波数量会导致功耗的增加。
固定延时窗和第一波检测法各有特点，不论采用哪种方式，
相差法不再需要脉冲对齐和STOP波的选择，可直接读取测量结果
平均值。
空管检测、断线检测功能可灵活的设定工作间隔。
3、开启智能化热/水表设计
设计要点：
4、考虑流速分布的影响
传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流
速，属于线平均值。对于流速小的流层情况，管道内的流速分布
呈抛物面分布，需要采用雷诺参数修正等方式进行修正，才能得
到合理的测量结果。
对于流速较大的流层情况，流速分布因雷诺系数变化而异，
随着Re的增大，流速分布近似均匀分布，传播速度差法测量结果
需要采用流量修正系数修正。
3、开启智能化热/水表设计 设计要点：
5、管道和换能器的选型
好的热/水表设计一定离不开性能优良的管段和换能器。管段
的流量特性、批量误差修正特性；换能器的延时稳定性、回波质
量都是选型要素。
超声波在管道中的传播路径和声道数，对于流量测量精度影
响较大。
U型、W型、对射式、单声道、多声道等
采用多声道法和声速多反射法进行流量测量的方式已成功的
在各自厂家产品中得到了应用。
3.2 更小的始动流量
3、开启智能化热/水表设计
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
1
7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
103
109
115
121
127
133
139
145
151
157
163
169
175
181
187
193
199
205
211
217
223
静水中实测数据：（供电3.0V，25℃, DN20）
共227组数据，Y轴单位：ps，标准差：73.48ps
静水中偏差数据多数集中在100ps以内，始动流量可达到2L/h。
3.2 流量计量精度更高
采用UTA6905芯片设计的热表、水表，小流量段精度提高明显。
以DN20表为例，在25L/h的流量下，依然满足国标2级表精度要求。
3、开启智能化热/水表设计
25L/h流量点测试数据：
测试条件：DN20管段，3.0V供电，15-35 ℃
3、开启智能化热/水表设计
15摄氏度测试 25摄氏度测试 35摄氏度测试
流量点 表 号 第1遍 第2遍 第3遍 第4遍 误差 最大波动
误差 平均值
第1遍 第2遍 第3遍 第4遍 误差 最大波动
误差 平均值
第1遍 第2遍 第3遍 第4遍 误差
最大波动
误差 平均值
0.025 26 -1.2 -0.8 -1.2 -1.3 0.5 -1.13 -1 -0.8 -1 -1.1 0.3 -0.98 -0.6 -0.7 -0.6 -0.7 0.1 -0.65
0.025 30 -0.8 -0.8 -0.6 -1.1 0.5 -0.83 -0.4 -0.5 -0.8 -0.6 0.4 -0.58 -0.5 -0.8 -1.2 -0.9 0.7 -0.85
0.025 9 0.7 1 0.8 1.1 0.4 0.9 0.7 0.8 0.6 0.7 0.2 0.7 0.4 -0.3 0.7 0.3 1 0.275
0.025 20 -1.2 -1.2 -1.3 -1 0.3 -1.18 -0.4 -0.5 -0.5 -0.6 0.2 -0.5 -0.5 -0.8 -0.4 -0.7 0.4 -0.6
0.025 27 0.8 0.6 1 1 0.4 0.85 -1 -0.8 -0.1 0.2 1.2 -0.43 0.5 -0.3 -0.2 0.1 0.8 0.025
0.025 22 -0.5 -0.6 -1 -0.8 0.5 -0.73 0.6 0.8 1.3 0.8 0.7 0.875 -0.5 -0.6 -0.4 -0.5 0.2 -0.5
0.025 2 -0.9 -1.1 -1.1 -1 0.2 -1.03 -1.1 -1.1 -0.8 -0.7 0.4 -0.93 0.3 0.1 0.6 0.8 0.7 0.45
0.025 3 0.6 1 0.6 0.7 0.4 0.725 -0.9 -0.9 -1.5 -1 0.6 -1.08 -0.5 0.2 -0.4 -0.3 0.7 -0.25
3.3 功耗更低
通过配置合理的工作方式，有效减少SPI通讯时间
在检定模式下，SPI通讯时间减少30%。
自动实现顺逆流测量，减少MCU干预，增加MCU休眠时间。
状态 有水状态 （uA） 无水状态 （uA） 表号 不显示 显示 检定 不显示 显示 检定 1 (6905) 21 61.6 245.5 7.7 33.3 42 2 (6905) 19 59.1 243.6 6.9 32.2 40.2 3 (6905) 20.2 61.3 235 10.2 35.4 42.2 4 (6905) 20.8 59.2 235.2 7.7 31.4 40.1 5 (6905) 19.1 58.4 237 7.2 31.3 40.3 参考样表 20 69 305 7.4 30 47
功耗测试数据对比
3、开启智能化热/水表设计
3.4 抗干扰设计 第一波检测 延时屏蔽窗 利用硬件滤波功能进行的抗干扰设计 测试环境： 群脉冲发生器 脉冲群电压 2000V 耦合方式：流量线耦合或者温度线耦合
3、开启智能化热/水表设计
3.4 抗干扰设计
。。。。。。 。。。。。。
300ms
50ns
400us
15ms
幅值V
相信业界可以在这基础上做的更高。
3、开启智能化热/水表设计
目录
数字相差流量测量芯片
开启智能化热/水表设计
艾萨半导体
Zigbee通讯产品
1、
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4、
4、Zigbee通讯产品
美科芯科技除了代理ICCI公司的系列芯片外，还利用自身资源，推出Zigbee系列通讯产品。
4、Zigbee通讯产品
UC-Bee 产品特点：
ZigBee模块
完全符合IEEE802.15.4要求设计，基于zigbee2007协议栈
开发，工作频段：2.4GHz，为用户提供无线数据传输功能。
ZigBee模块组网灵活、可控
具备无线自组网、自动中继路由功能
实现数据透传
实现点对点和广播通讯
网络节点状态可在线查询
应用领域：
广泛的运用于远传抄表、智能家居、智能电网、数字油田、
智慧农业、化工检测等领域。
4、Zigbee通讯产品
温控、热表系统应用：
4、Zigbee通讯产品
三表集抄应用：
4、Zigbee通讯产品
油田数据应用：
井场RTU（协调器1）
井口RTU（路由器1）井口号：142-x309
井口地址：1
PAN ID：0001
描述符：0001
信道： 0003
井口RTU(路由器2)
井口号：142-x330
井口地址：2
PAN ID：0001
描述符：0002
信道：0003
井口RTU(路由器8)
井口号：142-530
井口地址：8
PAN ID：0001
描述符：0008
信道：0003
………………
IP地址：172.16.2.21
井场号：1
PAN ID：0001
描述符：1001
信道：0003
油压变送器
套压变送器
温度传感器
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：002taoya
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：002wendu
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：002youya
油压变送器
套压变送器
温度传感器
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：001youya
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：001taoya
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：001wendu
套压变送器温度传感器
油压变送器
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：008taoya
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：008wendu
PAN ID：0001
信道：0003
描述符：008youya
互联网
网口
4、Zigbee通讯产品
智能路灯应用：
销售信息
中国区总代理
北京美科芯科技有限公司
电话: 010-62524681、62526608、4000-800-268
传真：010-62630677
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