应用TDC-GP21的户用超声波热量表设计

　　引言

　　热量表主要由流量、温度测量和热量积算三个模块构成,而超声波热量表就是应用超声波来实现流量测量的一类热量表。相比其它类型的热量表,它既没有插入式的机械式流量传感器,不会改变测量段流体流动状态、造成前后压力损失;也不是基于电磁感应的测量原理,不易受水中金属和非金属颗粒、杂质的影响;可以说是目前实现流量测量精度最高的一种方案。利用超声波进行流量检测的方法大致可分为传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、相关法以及噪声法等。本文讨论的即是传播速度差法中的时差法。它是利用一对安装在测量管段两侧的超声波换能器相互交替(或同时)收发超声波,通过测量并计算出超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测算流体流速和流量的一种间接测量方法。

　　1户用超声波热量表流量测量方案

　　超声波换能器在管道上的安装方式主要有三种:夹装型、插入型和管段型。对于管段型也有 2 种方式,一种是换能器采用Z式安装的标准管段,主要适用DN≥50mm以上的管道;另一种是π型管段(有称U型管段),主要适用DN<50mm的管道。对于小口径的户用超声波热表,主要采用后一种管段方式,超声波换能器对穿型安装,单声道,如图1所示。

　　图中,D为管段内径,L为两个换能器之间的直线距离,L1为进出口距离通过推导,可以得出体积流量公式为:

　　其中, △t是超声波信号在流体中逆流和顺流的传播时间差;t均是在顺、逆流下的平均传播时间;K 为流量修正系数

　　由式(1)可知,利用π型管段实现体积流量精确测量的关键在于能否精确测量出超声波在两个换能器之间的传递时间。对超声波传递时间的测量,一般有两种方法:一种是脉冲计数法,利用锁相环原理,通过搭建外部电路来实现;另一种是直接利用高精度的计时芯片。对于前一种方法,要想提高时间测量精度,就必须要提高计数脉冲的频率,这往往受到外部硬件电路的制约,不仅难以实现而且成本太高,因此可考虑采用后一种方案。

　　2解决高精度时间测量问题的TDC-GP21

　　TDC-GP21是德国acam公司在2010年11月底推出的新一代时间数字转换器(Time-to-Digital-Converter,TDC)芯片,它是利用信号通过内部逻辑门的传输延迟时间来实现高分辨率的时间间隔测量,用Start信号发,用Stop信号截止。相比早前推出的TDC-GP2,该芯片在前者的功能基础上,专门针对超声波热量表集成了所需要的模拟信号处理部分,如模拟开关、低噪声斩波稳定(自动进行温度电压校正)的模拟信号比较器,以及温度测量所需的施密特触发器,这可大大降低超声波热量表的开发成本,并且具有更高集成度、更低功耗和更高精度。