時(shí)間:2011-02-22 10:54:12來(lái)源:boulifairy
前言
相對(duì)于使用傳統(tǒng)測(cè)量方法的流量計(jì),超聲波流量計(jì)有著諸多的優(yōu)點(diǎn):它不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài),不對(duì)流體產(chǎn)生附加阻力;它可適應(yīng)多種管徑的流體測(cè)量,不會(huì)因管徑的不同增加儀表成本;它的換能器可設(shè)計(jì)成夾裝式,可作移動(dòng)性測(cè)量。TDC-GP2作為高精度的時(shí)間測(cè)量芯片,不但集成了時(shí)間測(cè)量功能,還針對(duì)超聲波流量計(jì)和熱量表的應(yīng)用提供超聲波換能器驅(qū)動(dòng)脈沖以及溫度測(cè)量功能。相對(duì)于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案,使用TDC-GP2的方案大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì),顯著降低了整機(jī)功耗,成為電路最簡(jiǎn)潔、功耗最低的超聲波流量計(jì)方案。
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)分別測(cè)量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間,利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時(shí)間差的線(xiàn)性關(guān)系計(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傳播速度用C表示,則順流和逆流的傳播時(shí)間分別為:
其中包含換能器的響應(yīng)時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)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(shí)間差為:
由此得到流體流速V和瞬時(shí)流量Q的計(jì)算公式(K為流速分布修正系數(shù)):
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)量的關(guān)鍵是對(duì)超聲波傳播時(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提供典型值65ps的時(shí)間分辨率,測(cè)量范圍從0到4ms。
如圖2所示,TDC核心測(cè)量單元對(duì)START和STOP脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)門(mén)電路的傳輸延時(shí)典型值是65ps,TDC核心測(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(mén)電路個(gè)數(shù)來(lái)獲得START與STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。TDC-GP2芯片內(nèi)部通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和布線(xiàn)方法來(lái)保證每個(gè)門(mén)電路的時(shí)間延遲嚴(yán)格一致,但這個(gè)時(shí)間延遲是會(huì)隨供電電壓和溫度而變化的,因此TDC-GP2設(shè)計(jì)了一個(gè)參考時(shí)鐘用來(lái)對(duì)門(mén)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)參與時(shí)間測(cè)量。
由于TDC核心測(cè)量單元是對(duì)電信號(hào)通過(guò)的門(mén)電路個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),因此受計(jì)數(shù)器容量的限制它的時(shí)間測(cè)量范圍是有限的,最多可測(cè)到1.8us,對(duì)于被測(cè)時(shí)間超過(guò)這個(gè)范圍的應(yīng)用,TDC-GP2則采取參考時(shí)鐘測(cè)量和TDC核心測(cè)量單元相結(jié)合的方式來(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)算獲得:
每次測(cè)量完成后TDC-GP2可以自動(dòng)對(duì)門(mén)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)鐘的周期是已知的,因此由測(cè)量結(jié)果可反推出來(lái)精確的門(mén)電路延時(shí)。以上的計(jì)算、校正都是TDC-GP2自動(dòng)完成的,最終經(jīng)過(guò)校正的測(cè)量結(jié)果將以參考時(shí)鐘的周期為單位給出,以方便用戶(hù)計(jì)算。
TDC-GP2的低功耗特性
TDC-GP2創(chuàng)新的測(cè)量機(jī)制決定了其低功耗的特性。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)量單元并不總是在工作,它僅僅用于測(cè)量START信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間(TFC1),以及STOP信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間(TFC2),而中間大量的時(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。由于TDC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)間一般為微秒級(jí),因此TDC-GP2的平均功耗能達(dá)到極低的水平,以每秒鐘測(cè)量?jī)纱螢槔骄哪茏龅叫∮?uA。
TDC-GP2的脈沖發(fā)生器
TDC-GP2不但具有超低功耗的時(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發(fā)生器。通過(guò)寄存器的設(shè)置可對(duì)產(chǎn)生脈沖的頻率、相位進(jìn)行控制,一次最多可以產(chǎn)生連續(xù)15個(gè)脈沖。 脈沖發(fā)生器有FIRE1和FIRE2兩個(gè)輸出管腳,這兩個(gè)輸出管腳分別具有48mA的驅(qū)動(dòng)能力,如果將其并聯(lián)使用可以將驅(qū)動(dòng)能力增加到96mA。對(duì)于小管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō),無(wú)需前端放大電路,可以直接用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-GP2具有高精度的時(shí)間測(cè)量功能,分辨率達(dá)到65ps,為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測(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)需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片;TDC-GP2測(cè)量的低功耗特性使得流量計(jì)的整體功耗大幅降低,為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案。
使用TDC-GP2的超聲波流量計(jì)方案相對(duì)于使用分立元件或者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),只需搭配MCU和簡(jiǎn)單的比較器、模擬開(kāi)關(guān)元件就可完成控制和時(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)大大縮小了設(shè)備的PCB面積,使設(shè)備的生產(chǎn)、維護(hù)也更加方便容易。
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,這為熱量表的應(yīng)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)將是未來(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?;赥DC-GP2測(cè)流量原理的戶(hù)用超聲波熱量表方案已由ACAM中國(guó)區(qū)總代理世強(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廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
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