前言
相對于使用傳統(tǒng)測量方法的流量計，超聲波流量計有著諸多的優(yōu)點：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(yīng)用提供超聲波換能器驅(qū)動脈沖以及溫度測量功能。相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，使用TDC-GP2的方案大大簡化了硬件電路設(shè)計，顯著降低了整機功耗，成為電路zui簡潔、功耗zui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(guān)系計算出流體的實時流速，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間分別為：
其中Toffset 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Toffset 是一樣的。順、逆流傳播的時間差為：
TDC-GP2的高精度時間測量原理
時差法超聲波流量測量的關(guān)鍵是對超聲波傳播時間的測量，德國ACAM 公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)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。
如圖2 所示，TDC 核心測量單元對START 和STOP 脈沖之間的時間間隔進(jìn)行測量。每 個門電路的傳輸延時典型值是65ps，TDC 核心測量單元通過計數(shù)在STOP 脈沖到來之前 START 信號通過的門電路個數(shù)來獲得START 與STOP 信號之間的時間間隔。TDC-GP2 芯片 內(nèi)部通過特殊的設(shè)計和布線方法來保證每個門電路的時間延遲嚴(yán)格一致，但這個時間延 遲是會隨供電電壓和溫度而變化的，因此TDC-GP2 設(shè)計了一個參考時鐘用來對門電路的 延時進(jìn)行校準(zhǔn)，同時這個參考時鐘也會在被測時間較長時參與時間測量。
由于TDC 核心測量單元是對電信號通過的門電路個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，因此受計數(shù)器容量 的限制它的時間測量范圍是有限的，zui多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范圍的 應(yīng)用，TDC-GP2 則采取參考時鐘測量和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)參考時鐘的周期數(shù)來完成測量， 待測時間TSS 便可通過如下計算獲得：
