前言
相對于使用傳統(tǒng)測量方法的流量計(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(yīng)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(jì)成夾裝式,，可作移動性測量。TDC-GP2" title="TDC-GP2">TDC-GP2作為高精度的時(shí)間測量" title="時(shí)間測量">時(shí)間測量芯片,，不但集成了時(shí)間測量功能,，還針對超聲波流量計(jì)和熱量表的應(yīng)用提供超聲波換能器" title="超聲波換能器">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(jì)方案,，使用TDC-GP2的方案大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì),，顯著降低了整機(jī)功耗，成為電路最簡潔,、功耗最低的超聲波流量計(jì)方案,。
超聲波流量計(jì)的測量原理
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)間測量原理
時(shí)差法超聲波流量測量" title="流量測量">流量測量的關(guān)鍵是對超聲波傳播時(shí)間的測量，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,，測量范圍從0到4ms,。
如圖2所示，TDC核心測量單元" title="測量單元">測量單元對START和STOP脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測量,。每個(gè)門電路" title="門電路">門電路的傳輸延時(shí)典型值是65ps,，TDC核心測量單元通過計(jì)數(shù)在STOP脈沖到來之前START信號通過的門電路個(gè)數(shù)來獲得START與STOP信號之間的時(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)鐘也會在被測時(shí)間較長時(shí)參與時(shí)間測量,。
由于TDC核心測量單元是對電信號通過的門電路個(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)間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us,，對于被測時(shí)間超過這個(gè)范圍的應(yīng)用,，TDC-GP2則采取參考時(shí)鐘測量和TDC核心測量單元相結(jié)合的方式來完成。如圖3所示,，TDC核心測量單元只測量TFC1和TFC2,，而TCC則通過數(shù)參考時(shí)鐘的周期數(shù)來完成測量，待測時(shí)間TSS便可通過如下計(jì)算獲得：
每次測量完成后TDC-GP2可以自動對門電路的延時(shí)做校準(zhǔn)測量,，如圖3中的Cal1和Cal2,，TDC核心測量單元對參考時(shí)鐘的周期進(jìn)行測量，而參考時(shí)鐘的周期是已知的,，因此由測量結(jié)果可反推出來精確的門電路延時(shí),。以上的計(jì)算、校正都是TDC-GP2自動完成的,，最終經(jīng)過校正的測量結(jié)果將以參考時(shí)鐘的周期為單位給出,，以方便用戶計(jì)算。
TDC-GP2的低功耗特性
TDC-GP2創(chuàng)新的測量機(jī)制決定了其低功耗的特性,。從圖3中可以看出,，TDC-GP2在進(jìn)行時(shí)間測量時(shí),，其耗電較大的核心測量單元并不總是在工作，它僅僅用于測量START信號上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間（TFC1）,，以及STOP信號上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間（TFC2）,，而中間大量的時(shí)間測量是由數(shù)參考時(shí)鐘周期數(shù)來完成的。TDC核心測量單元工作時(shí)的耗電為15mA,，非工作時(shí)的耗電小于150nA,。由于TDC核心測量單元的工作時(shí)間在一次測量中所占時(shí)間比例極小，而且在管道流量測量中每次測量的時(shí)間一般為微秒級,，因此TDC-GP2的平均功耗能達(dá)到極低的水平,，以每秒鐘測量兩次為例，平均功耗能做到小于2uA,。
TDC-GP2的脈沖發(fā)生器
TDC-GP2不但具有超低功耗的時(shí)間測量單元,，還集成了用于驅(qū)動超聲波換能器的脈沖發(fā)生器。通過寄存器的設(shè)置可對產(chǎn)生脈沖的頻率,、相位進(jìn)行控制,，一次最多可以產(chǎn)生連續(xù)15個(gè)脈沖。 脈沖發(fā)生器有FIRE1和FIRE2兩個(gè)輸出管腳,，這兩個(gè)輸出管腳分別具有48mA的驅(qū)動能力,，如果將其并聯(lián)使用可以將驅(qū)動能力增加到96mA。對于小管徑的流量測量來說,，無需前端放大電路,，可以直接用FIRE輸出脈沖來驅(qū)動超聲波換能器。
TDC-GP2在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用
TDC-GP2具有高精度的時(shí)間測量功能,，分辨率達(dá)到65ps,，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測量保障；TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅(qū)動超聲波換能器,，無需另外增加驅(qū)動芯片,；TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計(jì)的整體功耗大幅降低，為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案,。
使用TDC-GP2的超聲波流量計(jì)方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案,，大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，只需搭配MCU和簡單的比較器,、模擬開關(guān)元件就可完成控制和時(shí)間測量回路的設(shè)計(jì),。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡化的同時(shí)大大縮小了設(shè)備的PCB面積，使設(shè)備的生產(chǎn),、維護(hù)也更加方便容易,。
TDC-GP2還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測量，這為熱量表的應(yīng)用提供了集成化的解決方案,。
結(jié)語
超聲波原理的流量計(jì)將是未來流量計(jì)的發(fā)展方向,，TDC-GP2為超聲波流量計(jì)提供了最高集成度、最高測量精度,、最低功耗的解決方案,。基于TDC-GP2測流量原理的戶用超聲波熱量表方案已由ACAM中國區(qū)總代理世強(qiáng)電訊進(jìn)行了大面積推廣,，TDC-GP2已在超聲波熱量表中得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。