發(fā)布時間:2015/02/11
在基本電子元器件選用上,國內(nèi)超聲波廠家選擇較為一致,溫度傳感器采用Pt1000型配對鉑電阻測溫探頭;微處理器選用以美國德州儀器(TI)生產(chǎn)的MSP430F系列芯片;計時芯片選用德國ACAM公司TDC-GP2芯片,目前GP2在逐漸被更新的GP21取代。
同時在電子元器件品級選用上,一般采用民用級為主,唯獨(dú)一家企業(yè)提出采用工業(yè)級芯片和寬溫液晶屏,以提高對環(huán)境溫度的適應(yīng)性,使熱量表可在-25℃低溫環(huán)境下工作。
1.配對溫度傳感器 目前國內(nèi)各廠家溫度傳感器基本選用了Pt1000,只有為數(shù)不多幾家企業(yè)在大口徑熱量表中采用Pt100溫度傳感器,采用外接電源方式供電。與Pt100和Pt500相比,Pt1000溫度傳感器信噪比可提高2-10倍。
目前國內(nèi)配對溫度傳感器的技術(shù)相對已經(jīng)成熟,生產(chǎn)廠家也較多,如久茂、博控、海創(chuàng)、都華、韓通等。
2.微處理器(MCU) 市面上產(chǎn)品的微處理器以德州儀器生產(chǎn)的MSP430F系列為主,該款微處理器待機(jī)功耗低,程序代碼存儲空間32k字節(jié),可以滿足熱量表復(fù)雜的程序運(yùn)算所需要龐大代碼容量;同時運(yùn)行速度更快,比8位機(jī)運(yùn)行速度提高四倍,縮短了運(yùn)算時間。同時該芯片集成了LCD液晶驅(qū)動電路,可以驅(qū)動4個公共端24個段位的液晶,不需要額外增加另外的液晶驅(qū)動電路,方便電路設(shè)計,減少制造成本。也有研發(fā)人員提出可采用像SiliconLabs、Renesas等公司生產(chǎn)的單片機(jī)系列是更好選擇,但目前實(shí)際生產(chǎn)中還沒有見到企業(yè)采用該兩家公司單片機(jī)的實(shí)例[2]。
3.計時芯片 以德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP2為主,該款芯片時間測量精度高,達(dá)到到65ps的精度,同時具有高速脈沖發(fā)生器,接收信號使能,時鐘控制等功能。其次該芯片封裝尺寸小,適用于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應(yīng)用。
2011年ACAM公司在GP2的基礎(chǔ)上推出GP21,它提供了與TDC-GP2pin-to-pin管腳完全兼容的功能,另外還對一些性能進(jìn)行了提高,雙精度模式可達(dá)45ps,四精度模式達(dá)22ps,并增加了很多擴(kuò)展的功能。該款芯片呈現(xiàn)出取代GP2的趨勢,很多企業(yè)也順應(yīng)技術(shù)發(fā)展形式,采用GP21以提高測量精度。但是在采用GP21,提高了時間分辨率的同時,由于其原始設(shè)計為過零檢測,也提出了如何應(yīng)對雜波干擾的問題,需要采取包括對信號降噪處理等一定的技術(shù)手段真正提高測量的精度和穩(wěn)定性。
在國內(nèi)計時器的研發(fā)上,北京一家企業(yè)已研發(fā)出一時間測量電路,據(jù)稱在計時精度和功耗等方面可代替甚至超過進(jìn)口計時芯片(GP2)的性能,但還沒有做到集成電路專用芯片的程度。
4.換能器 換能器是超聲波熱量表最關(guān)鍵的部件之一,由壓電陶瓷片和既能透聲,又能保證密封、防水的外殼等組成;功能是一方面能將電信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號在水中定向傳播,另一方面又能將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。換能器的性能好壞直接影響到熱量表的計量精度,而由于國內(nèi)材料科學(xué)及基礎(chǔ)工業(yè)與國外存在的一定的差距,目前大部分國產(chǎn)熱量表選用的換能器性能較差。特別應(yīng)提請注意的是耐老化性能。為了保證超聲波流量計能有5—10年的使用壽命,國外廠家使用的換能器必須經(jīng)過強(qiáng)制老化,在出廠前通常都會采取冷熱交替方式加載后進(jìn)行檢測,確保長期測試性能不發(fā)生超差的變化。國內(nèi)熱量表企業(yè)忽略這項十分重要的工作,勢必給其產(chǎn)品留下隱患!
在換能器封裝上國內(nèi)廠家有兩種做法,一種采用PPS、PSF等熱塑樹脂封裝,另一種是采用不銹鋼罩進(jìn)行封裝。認(rèn)為采用不銹鋼罩來密封和發(fā)射聲波信號,能提高了信號幅值,擴(kuò)展流量測量下限,增加流量測量量程比,但具體性能差異還需要對比檢測。
有的企業(yè)關(guān)注了超聲波換能器的電/聲匹配問題,對換能器采用所謂雙層匹配技術(shù)方案,通過改進(jìn)換能器壓電陶瓷片的匹配層和吸聲層,增加了換能器帶寬,并減少余震,提高了流量測量的穩(wěn)定性。
總體來說,國內(nèi)與國外的熱量表企業(yè)在超聲波熱量表換能器及選用技術(shù)存在不小差距。除壓電陶瓷片的材料配方和制備外;結(jié)構(gòu)上,透聲、吸聲和密封以及必要的屏蔽接地性能的綜合設(shè)計有的以偏概全;成對使用的兩只換能器參數(shù)的一致性或是匹配性沒有得到應(yīng)有的重視;如此等等。應(yīng)該引起足夠的重視。
5.電路抗磁干擾設(shè)計 在“熱量表”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中提出熱量表應(yīng)具有一定的抗磁干擾能力,當(dāng)受到強(qiáng)度不大于100kA/m的磁場干擾時,不影響其計量特性。但是部分企業(yè)不重視該項內(nèi)容。“熱量表”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還要求“在電源電壓變化、電快速瞬變、電磁場、電浪涌、工頻磁場、靜電放電環(huán)境條件中,熱量表的功能不應(yīng)改變,熱量表應(yīng)能正常工作”。部分熱量表抗電磁干擾能力嚴(yán)重不達(dá)標(biāo),甚至出現(xiàn)在熱量表旁邊撥打手機(jī)就可導(dǎo)致熱量表液晶顯示不正常、或者數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。因此一些企業(yè)通過抗干擾電路設(shè)計,增加保護(hù)電路,采用專用元器件和材料等方式,提高了抗磁干擾和抗靜電干擾能力,在靜電ESD測試,測試電壓可達(dá)10KV,高于熱量表的8KV檢測標(biāo)準(zhǔn)。
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