高精度時間數字轉換器TDC-GP2在超聲波流量計量中的應用

　　前言

　　相對于使用傳統測量方法的流量計，超聲波流量計有著諸多的優點：它不會改變流體的流動狀態，不對流體產生附加阻力;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)：

　　TDC-GP2的高精度時間測量原理

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