高精度时间数字转换器TDC-GP2在超声波流量计量中的应用

2013-03-09 18:02:08来源: 21IC
前言

相对于使用传统测量方法的流量计,超声波流量计有着诸多的优点:它不会改变流体的流动状态,不对流体产生附加阻力;它可适应多种管径的流体测量,不会因管径的不同增加仪表成本;它的换能器可设计成夹装式,可作移动性测量。TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片,不但集成了时间测量功能,还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案,使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计,显著降低了整机功耗,成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。

超声波流量计的测量原理

以使用较多的时差法超声波流量计为例,通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间,利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速,进而得到对应的流量值。

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图1 时差法超声波流量测量原理

如图1 所示,超声波在静止流体中的传播速度用C 表示,则顺流和逆流的传播时间分别为:

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其中Toffset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。由于顺流和逆流路径的一致性,顺、逆流的Toffset是一样的。顺、逆流传播的时间差为:

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由此得到流体流速V 和瞬时流量Q 的计算公式(K 为流速分布修正系数):

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TDC-GP2的高精度时间测量原理

时差法超声波流量测量的关键是对超声波传播时间的测量,德国ACAM 公司的时间数字转换芯片TDC-GP2 提供典型值65ps 的时间分辨率,测量范围从0 到4ms。

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图2 TDC 核心测量单元

如图2 所示,TDC 核心测量单元对START 和STOP 脉冲之间的时间间隔进行测量。每个门电路的传输延时典型值是65ps,TDC 核心测量单元通过计数在STOP 脉冲到来之前START 信号通过的门电路个数来获得START 与STOP 信号之间的时间间隔。TDC-GP2 芯片内部通过特殊的设计和布线方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致,但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变化的,因此TDC-GP2 设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准,同时这个参考时钟也会在被测时间较长时参与时间测量。

由于TDC 核心测量单元是对电信号通过的门电路个数进行计数,因此受计数器容量的限制它的时间测量范围是有限的,最多可测到1.8us,对于被测时间超过这个范围的应用,TDC-GP2 则采取参考时钟测量和TDC 核心测量单元相结合的方式来完成。如图3所示,TDC 核心测量单元只测量TFC1 和TFC2,而TCC 则通过数参考时钟的周期数来完成测量,待测时间TSS 便可通过如下计算获得:

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每次测量完成后TDC-GP2 可以自动对门电路的延时做校准测量,如图3 中的Cal1和Cal2,TDC 核心测量单元对参考时钟的周期进行测量,而参考时钟的周期是已知的,因此由测量结果可反推出来精确的门电路延时。以上的计算、校正都是TDC-GP2 自动完成的,最终经过校正的测量结果将以参考时钟的周期为单位给出,以方便用户计算。
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关键字:时间数字转换器  TDC-GP2  超声波流量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0309/article_7001.html
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