TDC-GP21在超聲波熱量表中的應(yīng)用
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相對于使用傳統(tǒng)機(jī)械式的測量方法，超聲波測量技術(shù)提供了一種無阻礙式的測量方法。在這種技術(shù)的支持下，我們設(shè)計出的新一代超聲波熱量表沒有了活動部件、電路更加的緊湊簡單、功耗更低、精度更高。而為超聲波熱量表市場量身定做的TDC-GP21必將為你提供一個完美的解決方案。
關(guān)鍵字：TDC-GP21，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計，熱量表，時間測量，低功耗
超聲波熱量表的測量原理
以使用較多的時差法超聲波熱能量表為例，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(shí)時流速，進(jìn)而得到對應(yīng)的流量值。再分別測出進(jìn)出水的溫度，通過求得差值獲得溫度系數(shù)。將流量值和溫度系數(shù)帶入公式即可獲得單位熱量。
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(yīng)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)）：
再通過K系數(shù)法，我們就可以得出熱量E：
德國ACAM公司針對超聲波熱量表市場新推出的TDC-GP21
TDC-GP21 是德國 ACAM 公司在TDC-GP2的基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代產(chǎn)品。除了具有TDC-GP2 所具有的高精度時間測量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能外，它還集成了施密特觸發(fā)器，斬波穩(wěn)定的內(nèi)部比較器和模擬開關(guān)等特殊功能模塊，使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應(yīng)用。這款芯片利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化 CMOS技術(shù)，將時間間隔的測量量化到 22ps的精度，給超聲波熱量表的時差測量提供了一個完美的解決方案。
1、TDC-GP21的技術(shù)核心——時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）
TDC—即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。
圖2 TDC時間測量單元
圖2顯示了這種測量絕對時間TDC 的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。芯片能獲得的最高測量精度基本上由信號通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時間決定。
測量單元由 START 信號觸發(fā)，接收到 STOP 信號停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數(shù)器的計數(shù)值可以計算出 START 信號和 STOP 信號之間時間間隔，測量范圍可達(dá) 20 位。 在3.3V和25℃時,GP21的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對門電路的傳播延遲時間有很大的影響。通常是通過校準(zhǔn)來補(bǔ)償由溫度和電壓變化而引起的誤差。
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