新技术在智能水表测量电路中的应用

摘要：  随着社会的进步和工业的发展，全球水资源日益紧张，我国政府曾在“十一五”规划纲要明确提出：“要把节水放在突出位置，建立合理的水价形成机制，全面推行各种节水技术措施，发展节水型企业，建立节水社会。”由此预计，不远的将来社会对各类水表的需求量将出现大幅的提高。而能满足阶梯计价的智能式水表将会成为建设节水型社会一大利器。

关键字：  智能式水表，  传感器元件，  

前言

随着社会的进步和工业的发展，全球水资源日益紧张，我国政府曾在“十一五”规划纲要明确提出：“要把节水放在突出位置，建立合理的水价形成机制，全面推行各种节水技术措施，发展节水型企业，建立节水社会。”由此预计，不远的将来社会对各类水表的需求量将出现大幅的提高。而能满足阶梯计价的智能式水表将会成为建设节水型社会一大利器。

一、NEC MR Sensor 在机电式水表中的应用

1、机电式水表的工作原理

机电式水表，也叫智能水表。是通过在水表的读盘指针或齿轮组的某个位置安装传感器元件，将原来的机械水表读数转换为电信号，然后通过单片机进行数据处理，来实现流量测量一种水表。其工作流程如下图：

2、MR sensor与其他传感器的对比

目前，在机电式水表中，用途最广的传感器有：韦根、干簧管、霍尔和MR Sensor。由于机电式水表一般由电池供电，对传感器的功耗有很高的要求。而不同的传感器在功耗、寿命、响应频率以及磁阻尼的差别又会对水表的精度、准确度以及寿命等性能产生影响。下面为不同传感器之间的性能对比：

3、NEC 山梨MR Sensor的性能

NEC 山梨MR Sensor是一种利用磁电阻反应原理，把强磁性金属合金薄膜蒸镀在IC电路上的磁开关器件。其特点为：

高灵敏度，高精度——灵敏度的一致性最高可达6高斯以内。

高可靠性——内藏温度保护电路，大幅提升了温度特性的稳定性。

响应频率高——可达10KHZ。

低功耗——整体功耗小于1uA。

低成本。

小型封装SMT。

由于NEC 山梨MR磁传感器的上述特点，其非常适合机电式水表应用。响应频率高，可以达到10 kHz以上，这样就可以直接测量叶轮的转速，得到水表的瞬时流量，可以实时监控用水情况。采用两个TMR传感器，根据四种不同状态信号，可以获得叶轮的旋转速度和旋转方向。通过测量叶轮的转速，NEC山梨MR传感器可以实现：

瞬时流量检测。

漏水及大流量报警。

逆流检测。

4、NEC MR Sensor在水表中的应用

1)水平方向检测：采用长条或者圆柱体水平磁化磁铁， MR Sensor和磁铁在同一平面，磁铁随着叶轮转动。 MR Sensor输出方波信号，可以得到叶轮的转速，就可以计算瞬时流量。如果安装2个磁阻芯片，根据四种状态，就可以获得旋转速度和旋转方向，可以进行逆流检测。

2)垂直方向检测：

采用长条或者圆柱体水平磁化磁铁，MR Sensor安装在磁铁上方，磁铁随着叶轮转动。 MR Sensor输出方波信号，可以得到叶轮的转速，就可以计算瞬时流量。如果安装2个磁阻芯片，根据四种状态，就可以获得旋转速度和旋转方向，可以进行逆流检测。

二、超声波测量在电子式水表中的应用

1、超声波测量原理

时差法超声波测量是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过检测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

超声波时差法测量原理示意图

如上图所示，超声波在静止流体中的传播速度用C表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：

其中 Toffset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的 Toffset 是一样的。顺、逆流传播的时间差为：

由此得到流体流速V和瞬时流量Q的计算公式(K为流速分布修正系数)：

2、德国ACAM公司针对超声波水表市场推出的TDC-GP22

1)TDC-GP22的技术核心

TDC—即时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔。

TDC时间测量单元

上图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。芯片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。 在3.3V和25℃时，GP22的最小分辨率是 22ps。温度和电压对门电路的传播延迟时间有很大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。

2)TDC-GP22的特性

100% 功能 & 管脚 & 寄存器 与 TDC-GP21兼容 (可1:1进行替换)。

时间测量精度可选择，最高可以达到22ps。

温度测量精度：2mk rms

TOF飞行时差的温漂：<0.3ps/k

静态电流：<0.1uA@85℃

休眠电流：1uA(32K持续工作下)

可选择部分: 提供针对超声波水表所需要的完整的模拟部分

内部集成斩波稳定的内部低噪声比较器(比较器触发offset范围在±35 mV) 和低串扰模拟开关，解决了客户模拟部分设计的问题， 提高了系统测量质量。

内部集成低串扰的模拟开关

3)TDC-GP22在超声波水表中的应用优势

高精度的时间测量单元，分辨率达到22ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障，从而实现高精度、大量程比的设计。

智能第一个回波检测功能，使得时间窗口设置不再受时差变化影响，从而实现精确的脉冲间隔测量，和回流、空管识别和报警。

第一波脉冲宽度检测功能，实现管段中气泡及覆盖物的检测和报警。

自动处理计算三个脉冲结果，并给出平均值，简化算法处理过程，节省单片机的资源。

可以使用更高频率>1MHz的换能器的应用(由于一个周期时间变短，将使时间窗口设置非常难，而GP22可以进行完美自动设置)

3、TDC-GP22在超声波水表中的应用方案

TDC-GP22是ACAM公司专门针对超声波水表设计的。其高精度的时间测量功能为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障;而TDC-GP22的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增加驱动芯片;TDC-GP22测量的低功耗特性使得流量计的整体功耗大幅降低，为电池供电设备提供了优良的解决方案。总体来说，高精度的时间测量，简洁的外部电路、集成的内部信号处理算法，超低的整体功耗使得TDC-GP22是超声波水表设计者的不二之选!