前言
　　
　　相對(duì)使用傳統(tǒng)丈量方式的流量計(jì)，超聲波流量計(jì)有著諸多的長(zhǎng)處：它不會(huì)轉(zhuǎn)變流體的流動(dòng)狀況，錯(cuò)誤流體發(fā)生附加阻力；它可適應(yīng)多種管徑的流體測(cè)量，不會(huì)因管徑的不同增添儀表本錢；它的換能器可設(shè)計(jì)成夾裝式，可作挪動(dòng)性測(cè)量。tdc-gp2作為高精度的時(shí)光測(cè)量芯片，豈但集成了時(shí)光丈量功效，還針對(duì)超聲波流量計(jì)跟熱量表的利用供給超聲波換能器驅(qū)動(dòng)脈沖以及溫度測(cè)量功效。絕對(duì)于應(yīng)用分破元件或者fpga的超聲波流量計(jì)計(jì)劃，應(yīng)用tdc-gp2的計(jì)劃大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，明顯下降了整機(jī)功耗，成為電路最簡(jiǎn)練、功耗最低的超聲波流量計(jì)方案。
　　
　　癥結(jié)字：tdc-gp2，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計(jì)，熱量表，時(shí)間測(cè)量，低功耗
　　
　　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(guò)火別測(cè)量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間，應(yīng)用流體流速與超聲波順流逆?zhèn)鞑ゲ�時(shí)間差的線性關(guān)聯(lián)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流傳速度用c表現(xiàn)，則順流和逆流的傳布時(shí)間分離為：
　　
　　其中包括換能器的響應(yīng)時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)等。因?yàn)轫樍骱湍媪鏖T路的一致性，順、逆流的是一樣的。順、逆流流傳的時(shí)間差為：
　　
　　由此得到流體流速v和剎時(shí)流量q的計(jì)算公式：
　　
　　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)量的要害是對(duì)超聲波傳布時(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供給典范值65ps的時(shí)間辨別率，測(cè)量范疇從0到4ms。
　　
　　如圖2所示，tdc中心測(cè)量單元對(duì)start和stop脈沖之間的時(shí)間距離進(jìn)行測(cè)。便攜式超聲波流量計(jì)非接觸式測(cè)量方式、體積小、重量輕、攜帶方便。量。每個(gè)門電路的傳輸延時(shí)典范值是65ps，tdc中心測(cè)量單元通過(guò)計(jì)數(shù)在stop脈沖到來(lái)之前start信號(hào)通過(guò)的門電路個(gè)數(shù)來(lái)取得start與stop信號(hào)之間的時(shí)間距離。tdc-gp2芯片內(nèi)部通過(guò)特別的設(shè)計(jì)和布線辦法來(lái)保障每個(gè)門電路的時(shí)間延遲嚴(yán)厲一致，但這個(gè)時(shí)間延遲是會(huì)隨供電電壓和溫度而變更的，因而tdc-gp2設(shè)計(jì)了一個(gè)參考時(shí)鐘用來(lái)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)參加時(shí)間測(cè)量。
　　
　　因?yàn)閠dc核心測(cè)量單元是對(duì)電信號(hào)通過(guò)的門電路個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此受計(jì)數(shù)器容量的限度它的時(shí)間測(cè)量規(guī)模是有限的，最多可測(cè)到1.8us，對(duì)于被測(cè)時(shí)間超過(guò)這個(gè)范疇的應(yīng)用，tdc-gp2則采用參考時(shí)鐘測(cè)量和tdc核心測(cè)量單元相聯(lián)合的方法來(lái)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(guò)數(shù)參考時(shí)鐘的周期數(shù)來(lái)完成測(cè)量，待測(cè)時(shí)間tss便可通過(guò)如下計(jì)算失掉：
　　
　　每次測(cè)量實(shí)現(xiàn)后tdc-gp2可以主動(dòng)對(duì)門電路的延時(shí)做校準(zhǔn)測(cè)量，如圖3中的cal1和cal2，tdc核心測(cè)量單元對(duì)參考時(shí)鐘的周期進(jìn)行測(cè)量，而參考時(shí)鐘的周。固定式超聲波流量計(jì)利用了低電壓、多脈沖時(shí)差原理，采用高精度和超穩(wěn)定的雙平衡信號(hào)差分發(fā)射。期是已知的，因而由測(cè)量成果可反推出來(lái)準(zhǔn)確的門電路延時(shí)。以上的盤算、校訂都是tdc-gp2主動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，終極經(jīng)由校訂的測(cè)量成果將以參考時(shí)鐘的周期為單位給出，以便利用戶盤算。
　　
　　tdc-gp2的低功耗特性
　　
　　tdc-gp2翻新的測(cè)量機(jī)制決議了其低功耗的特征。從圖3中可以看出，tdc-gp2在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，其耗電較大的核心測(cè)量單元并不老是在工作，它僅僅用于測(cè)量start信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘回升沿的時(shí)間，以及stop信號(hào)回升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間，而旁邊大批的時(shí)間測(cè)量是由數(shù)參考時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)完成的。tdc核心測(cè)量單元工作時(shí)的耗電為15ma，非工作時(shí)的耗電小于150na。因?yàn)閠dc核心測(cè)量單元的工作時(shí)間在一次測(cè)量中所占時(shí)間比例極小，而且在管道流量測(cè)量中每次測(cè)量的時(shí)間個(gè)別為微秒級(jí)，因此tdc-gp2的均勻功耗能到達(dá)極低的程度，以每秒鐘測(cè)量?jī)纱螢槔�，均勻功耗能做到小�?ua。
　　
　　tdc-gp2的脈沖發(fā)生器
　　
　　tdc-gp2豈但具備超低功耗的時(shí)間測(cè)量單元，還集成了用于驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的脈沖產(chǎn)生器。通過(guò)存放器的設(shè)置可對(duì)產(chǎn)生脈沖的頻率、相位進(jìn)行把持，一次最多可以發(fā)生持續(xù)15個(gè)脈沖。脈沖產(chǎn)生器有fire1跟fire2兩個(gè)輸出管腳，這兩個(gè)輸出管腳分辨存在48ma的驅(qū)動(dòng)才能，假如將其并聯(lián)使用能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)才能增長(zhǎng)到96ma。對(duì)小管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō)，無(wú)需前端放大電路，能夠直接用fire輸出脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。
　　
　　tdc-gp2在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用
　　
　　tdc-g。超聲波流量計(jì)采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯(cuò)技術(shù)，使流量?jī)x表更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，計(jì)量更方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確。p2擁有高精度的時(shí)間測(cè)量功能，分辯率到達(dá)65ps，為時(shí)差法流量計(jì)的利用提供了基礎(chǔ)的測(cè)量保障；tdc-gp2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測(cè)量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增添驅(qū)動(dòng)芯片；tdc-gp2測(cè)量的低功耗特征使得流量計(jì)的整體功耗大幅下降，為電池供電裝備提供了精良的解決方案。
　　
　　使用tdc-gp2的超聲波流量計(jì)方案絕對(duì)于使用分破元件或者fpga的超聲波流量計(jì)方案，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，只要搭配mcu和簡(jiǎn)略的比擬器、模仿開(kāi)關(guān)元件就可完成節(jié)制和時(shí)間測(cè)量回路的設(shè)計(jì)。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化的同時(shí)大大縮小了裝備的pcb面積，使設(shè)備的出產(chǎn)、保護(hù)也更加便利輕易。
　　
　　tdc-gp2還帶有兩路溫度測(cè)量功能，可直接接pt1000或pt500熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，這為熱量表的運(yùn)用提供了集成化的解決方案。
　　
　　結(jié)語(yǔ)
　　
　　超聲波原理的流量計(jì)將是將來(lái)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(cè)量精度、最低功耗的解決方案。基于tdc-gp2測(cè)流量原理的戶用超聲波熱量表方案已由acam中國(guó)區(qū)總代辦世強(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普遍的實(shí)際運(yùn)用。