高精度时间数字转换器TDC-GP2在超声波流量计量中的应用

　　前言

　　相对于使用传统测量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的优点：它不会改变流体的流动状态，不对流体产生附加阻力;它可适应多种管径的流体测量，不会因管径的不同增加仪表成本;它的换能器可设计成夹装式，可作移动性测量。TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片，不但集成了时间测量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，显著降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。

　　超声波流量计的测量原理

　　以使用较多的时差法超声波流量计为例，通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。

　　如图1所示，超声波在静止流体中的传播速度用C表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：

　　其中包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的是一样的。顺、逆流传播的时间差为：

　　由此得到流体流速V和瞬时流量Q的计算公式(K为流速分布修正系数)：

　　TDC-GP2的高精度时间测量原理

　　时差法超声波流量测量的关键是对超声波传播时间的测量，德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP2提供典型值65ps的时间分辨率，测量范围从0到4ms。