高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2在超聲波流量計(jì)量中的應(yīng)用

　　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、逆流的是一樣的。順、逆流傳播的時(shí)間差為：

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

　　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。