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：

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。

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，zui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：