高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2在超聲波流量計量中的應用

　　前言

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

　　超聲波流量計的測量原理

　　以使用較多的時差法超聲波流量計為例，通過分別測量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時間，利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時間差的線性關(guān)系計算出流體的實時流速，進而得到對應的流量值。

　　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間分別為：

　　其中包含換能器的響應時間、電路元件造成的延時等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的是一樣的。順、逆流傳播的時間差為：

　　由此得到流體流速V和瞬時流量Q的計算公式(K為流速分布修正系數(shù))：

　　TDC-GP2的高精度時間測量原理

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