TDC-GP1在超声波流量计中的应用

　　1　概述

　　目前,广泛使用的流量计主要有3大类型:机械式、电磁式和超声波式[1-3]。在使用周期成本、可靠性和准确性方面,超声波式流量计均优于电磁式和机械式流量计。流量计的主要性能指标表现为流量计的检测精度和运行稳定性。由于超声波流量计无机械转动部件,由TDC-GP1和微处理器组成的超声波流量计具有功耗低、运行稳定、检测精度高和使用寿命长等优点,必将在各领域得到广泛应用[4-6]。

　　1·1　检测原理

　　时差法超声波热量检测是利用超声波在液体中顺流和逆流传输速度不同的原理实现液体流速计量的[7],其工作原理如图1所示,液体流速计算公式为

式中: c为超声波在静态液体中的速度;L为超声波传输距离;θ为超声波传输方向与液体流动方向之间夹角; t2为超声波逆向传输所用时间; t1为超声波顺向传输所用时间。

　　由式(1)可知,液体速度测量可以通过测量超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时间差来间接测得。由于超声波在液体中的传输速度很快,而且超声波热量计两个换能器之间的距离比较短,当液体低流速流动时,超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时差很小,这就要求定时器具有较高的时间分辨率。例如水温在20℃时,超声波的传输速度为1 480 m /s,设水的流速为0·5 m /s,超声波的传输距离为100 mm,θ为45°,由公式可求得其时差为32 ns.若要求检测误差小于0·5%,则时间分辨率应小于160 ps.利用常规定时器将难以实现如此高精度的定时测量,而TDC-GP1可以实现该高精度定时测量任务。

　　1·2　TDC-GP1

　　TDC为时间数字转换器,可以将时间间隔直接转化为高精度的数字值。通常TDC用在分辨率小于1 ns的转换器上,仪表或其他一些类似的器件没有高消耗是无法取得高分辨率的。高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1可以提供2通道250 ps或单通道125 ps分辨率的时间间隔测量。TDC-GP1具有2个检测通道, 2个检测通道共用1个开始脉冲控制信号。每个通道各有4个15位长度的数据寄存器,用于记录每个停止脉冲与开始脉冲之间的时间间隔。内部还有8个无符号结果寄存器或4个有符号数据寄存器,通过16位字长数据运算器的计算,不仅可以把各停止脉冲与开始脉冲的时间间隔存入数据寄存器,还可以把同一通道或不同通道的任意2个脉冲的时间间隔存入数据寄存器。通过设置结果数据寄存器的脉冲之间的计算关系,就可以获得相应的计算结果。另外,TDC-GP1具有RLC测量功能,即电阻、电感和电容测试功能,通过简单的电阻、电感和电容检测接口,可以直接把被测元件参数转换成与之对应的时间间隔,使TDC-GP1的应用范围更加广泛。