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前言

相對(duì)于使用傳統(tǒng)測(cè)量方法的流量計(jì)，超聲波流量計(jì)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)：它不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不對(duì)流體產(chǎn)生附加阻力；它可適應(yīng)多種管徑的流體測(cè)量，不會(huì)因管徑的不同增加儀表成本；它的換能器可設(shè)計(jì)成夾裝式，可作移動(dòng)性測(cè)量。TDC-GP2作為高精度的時(shí)間測(cè)量芯片，不但集成了時(shí)間測(cè)量功能，還針對(duì)超聲波流量計(jì)和熱量表的應(yīng)用提供超聲波換能器驅(qū)動(dòng)脈沖以及溫度測(cè)量功能。相對(duì)于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，使用TDC-GP2的方案大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，顯著降低了整機(jī)功耗，成為電路最簡(jiǎn)潔、功耗最低的超聲波流量計(jì)方案。

超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

以使用較多的時(shí)差法超聲波流量計(jì)為例，通過分別測(cè)量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間，利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時(shí)間差的線性關(guān)系計(jì)算出流體的實(shí)時(shí)流速，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的流量值。

如圖1 所示，超聲波在靜止流體中的傳播速度用C 表示，則順流和逆流的傳播時(shí)間分別為：

其中Toffset  包含換能器的響應(yīng)時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的Toffset  是一樣的。順、逆流傳播的時(shí)間差為：

TDC-GP2的高精度時(shí)間測(cè)量原理

時(shí)差法超聲波流量測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量，德國(guó)ACAM 公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2 提供典型值65ps 的時(shí)間分辨率，測(cè)量范圍從0 到4ms。

如圖2 所示，TDC 核心測(cè)量單元對(duì)START 和STOP 脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。每 個(gè)門電路的傳輸延時(shí)典型值是65ps，TDC 核心測(cè)量單元通過計(jì)數(shù)在STOP 脈沖到來之前 START 信號(hào)通過的門電路個(gè)數(shù)來獲得START 與STOP 信號(hào)之間的時(shí)間間隔。TDC-GP2 芯片 內(nèi)部通過特殊的設(shè)計(jì)和布線方法來保證每個(gè)門電路的時(shí)間延遲嚴(yán)格一致，但這個(gè)時(shí)間延 遲是會(huì)隨供電電壓和溫度而變化的，因此TDC-GP2 設(shè)計(jì)了一個(gè)參考時(shí)鐘用來對(duì)門電路的 延時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)這個(gè)參考時(shí)鐘也會(huì)在被測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)參與時(shí)間測(cè)量。

由于TDC 核心測(cè)量單元是對(duì)電信號(hào)通過的門電路個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此受計(jì)數(shù)器容量 的限制它的時(shí)間測(cè)量范圍是有限的，最多可測(cè)到1.8us，對(duì)于被測(cè)時(shí)間超過這個(gè)范圍的 應(yīng)用，TDC-GP2 則采取參考時(shí)鐘測(cè)量和TDC 核心測(cè)量單元相結(jié)合的方式來完成。如圖3 所示，TDC 核心測(cè)量單元只測(cè)量TFC1 和TFC2，而TCC 則通過數(shù)參考時(shí)鐘的周期數(shù)來完成測(cè)量， 待測(cè)時(shí)間TSS 便可通過如下計(jì)算獲得：