超聲波熱量表的測(cè)量原理
以使用較多的時(shí)差法超聲波熱能量表為例，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。再分別測(cè)出進(jìn)出水的溫度，通過(guò)求得差值獲得溫度系數(shù)。將流量值和溫度系數(shù)帶入公式即可獲得單位熱量。
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)）：
再通過(guò)k系數(shù)法，我們就可以得出熱量e：
德國(guó)acam公司針對(duì)超聲波熱量表市場(chǎng)新推出的tdc-gp21
tdc-gp21是德國(guó)acam公司在tdc-gp2的基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代產(chǎn)品。除了具有tdc-gp2所具有的高精度時(shí)間測(cè)量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號(hào)使能，溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制等功能外，它還集成了施密特觸發(fā)器，斬波穩(wěn)定的內(nèi)部比較器和模擬開(kāi)關(guān)等特殊功能模塊，使得它尤其適合于超聲波流量測(cè)量和熱量測(cè)量方面的應(yīng)用。這款芯片利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化cmos技術(shù)，將時(shí)間間隔的測(cè)量量化到22ps的精度，給超聲波熱量表的時(shí)差測(cè)量提供了一個(gè)的解決方案。
1、tdc-gp21的技術(shù)核心——時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（tdc）
tdc—即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（time-to-digitalconverter），它是利用信號(hào)通過(guò)邏輯門的時(shí)間延遲來(lái)量化時(shí)間間隔。
圖2tdc時(shí)間測(cè)量單元
圖2顯示了這種測(cè)量時(shí)間tdc的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方法使得芯片可以地記下信號(hào)通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)。芯片能獲得的zui高測(cè)量精度基本上由信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部門電路的zui短傳播延遲時(shí)間決定。
測(cè)量單元由start信號(hào)觸發(fā)，接收到stop信號(hào)停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出start信號(hào)和stop信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá)20位。在3.3v和25℃時(shí),gp21的zui小分辨率是22ps。溫度和電壓對(duì)門電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響。通常是通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償由溫度和電壓變化而引起的誤差。
2、tdc-gp21的特性
功能&管腳&寄存器與tdc-gp2兼容（可1:1進(jìn)行替換）
對(duì)于tdc-gp2的bug進(jìn)行了糾正
增加了一些新的數(shù)字部分的功能（zui多可發(fā)128個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖）
可選擇精度zui高可達(dá)22ps
低功耗32khz晶振（600na）
更加高質(zhì)量的溫度測(cè)量單元
內(nèi)部集成溫度測(cè)量施密特觸發(fā)器
超低靜態(tài)功耗:0.005µa（typ.）
整個(gè)測(cè)量流程由gp21控制，無(wú)須復(fù)雜單片機(jī)控制
可選擇部分:對(duì)于超聲波熱量表所需要的完整的模擬部分
內(nèi)部集成斬波穩(wěn)定的內(nèi)部低噪聲比較器（<1mv漂移）
內(nèi)部集成低串?dāng)_的模擬開(kāi)關(guān)
tdc-gp21在超聲波熱量表中的應(yīng)用方案
tdc-gp21具有高精度的時(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到22ps，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-gp21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-gp21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-gp21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)，只需搭配一顆低功耗mcu，外加幾個(gè)電阻電容就可完成控制和時(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-gp21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。
圖3：超聲波熱量表應(yīng)用框圖
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-gp21為超聲波流量計(jì)提供了zui高集成度、zui高測(cè)量精度、zui低功耗的解決方案?；跍y(cè)流量原理的戶用超聲波熱量表在北方城市開(kāi)始大面積推廣，tdc-gp21已在其中得到了廣泛應(yīng)用。