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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。

圖1 時差法超聲波流量測量原理

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：

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。

圖2 TDC 核心測量單元

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在STOP 脈沖到來之前START 信號通過的門電路個數來獲得START 與STOP 信號之間的時間間隔。TDC-GP2 芯片內部通過特殊的設計和布線方法來保證每個門電路的時間延遲嚴格一致，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 設計了一個參考時鐘用來對門電路的延時進行校準，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進行計數，因此受計數器容量的限制它的時間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范圍的應用，TDC-GP2 則采取參考時鐘測量和TDC 核心測量單元相結合的方式來完成。如圖3所示，TDC 核心測量單元只測量TFC1 和TFC2，而TCC 則通過數參考時鐘的周期數來完成測量，待測時間TSS 便可通過如下計算獲得：

每次測量完成后TDC-GP2 可以自動對門電路的延時做校準測量，如圖3 中的Cal1和Cal2，TDC 核心測量單元對參考時鐘的周期進行測量，而參考時鐘的周期是已知的，因此由測量結果可反推出來精確的門電路延時。以上的計算、校正都是TDC-GP2 自動完成的，最終經過校正的測量結果將以參考時鐘的周期為單位給出，以方便用戶計算。

圖3 時間測量和校準

TDC-GP2的低功耗特性

TDC-GP2 創新的測量機制決定了其低功耗的特性。從圖3 中可以看出，TDC-GP2 在進行時間測量時，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參考時鐘上升沿的時間（TFC1），以及STOP 信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿的時間（TFC2），而中間大量的時間測量是由數參考時鐘周期數來完成的。TDC核心測量單元工作時的耗電為15mA，非工作時的耗電小于150nA。由于TDC 核心測量單元的工作時間在一次測量中所占時間比例極小，而且在管道流量測量中每次測量的時間一般為微秒級，因此TDC-GP2 的平均功耗能達到極低的水平，以每秒鐘測量兩次為例，平均功耗能做到小于2uA。

TDC-GP2的脈沖發生器

TDC-GP2 不但具有超低功耗的時間測量單元，還集成了用于驅動超聲波換能器的脈沖發生器。通過寄存器的設置可對產生脈沖的頻率、相位進行控制，一次最多可以產生連續15 個脈沖。 脈沖發生器有FIRE1 和FIRE2 兩個輸出管腳，這兩個輸出管腳分別具有48mA 的驅動能力，如果將其并聯使用可以將驅動能力增加到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 輸出脈沖來驅動超聲波換能器。

TDC-GP2在超聲波流量計中的應用

TDC-GP2 具有高精度的時間測量功能，分辨率達到65ps，為時差法流量計的應用提供了基本的測量保障；TDC-GP2 的脈沖發生器在小管徑的流量測量中可直接驅動超聲波換能器，無需另外增加驅動芯片；TDC-GP2 測量的低功耗特性使得流量計的整體功耗大幅降低，為電池供電設備提供了優良的解決方案。

使用TDC-GP2 的超聲波流量計方案相對于使用分立元件或者FPGA 的超聲波流量計方案，大大簡化了硬件電路設計，只需搭配MCU 和簡單的比較器、模擬開關元件就可完成控制和時間測量回路的設計。該方案使電路設計得到簡化的同時大大縮小了設備的PCB 面積，使設備的生產、維護也更加方便容易。

TDC-GP2 還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000 或PT500 熱電阻進行溫度測量，這為熱量表的應用提供了集成化的解決方案。

圖4 應用TDC-GP2 的流量計/熱量表方案

結語

超聲波原理的流量計將是未來流量計的發展方向，TDC-GP2 為超聲波流量計提供了最高集成度、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 中國區總代理世強電訊進行了大面積推廣，TDC-GP2 已在超聲波熱量表中得到了廣泛的實際應用，世強電訊可為您提供易于使用的評估套件，更多詳情可致電世強電訊。