摘 要： 介紹了應用德國ACAM公司設計的時間轉換芯片TDC-GP2開發的超聲波氣體流量計，流量計具備低功耗、高精度等優勢。
??? 關鍵詞： TDC-GP2；超聲波；氣體流量計；時差法
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超聲波氣體流量計是近年來迅速發展的、正逐步應用于天然氣工業等領域的新型流量計。超聲波測量技術提供了一種無阻礙式的方法，這是一種沒有活動部件，低壓降和低能量消耗以及高精度的測量流量的方法。與傳統的機械式流量計相比克服了易損壞、精度低等缺點，因此超聲波流量計將是今后流量計發展的趨勢。超聲波氣體流量計的優點：(1)不僅能對小管徑而且能對大管徑氣體流量進行測量，并且無流阻、無壓力損失；(2)能對各種不同的氣體進行測量，測量結果不受氣體成分改變的影響；(3)不僅能對穩定氣流進行測量而且還能對脈動氣流進行測量；(4)操作簡便，實現了計算機自動控制而不需要操作；(5)還可提供氣體分子量(或濃度)的信息。因此，超聲波氣體流量計在大氣體流的計測及工業應用中是很有發展前途的。
1 系統設計
??? 由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測量比液體復雜，儀表的輸出信號除了與輸入信號有關，還與氣體密度有關，同時封閉管道中氣體體積流量的測量有多種方法，因時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，迄今為止被國內外的廠家廣泛采用，所以本文采用時差法原理測量封閉管道內的氣體體積流量。時差法就是根據時間的變化計算出管道中氣體的體積流量。由于聲波在流體中傳播時，順流方向傳播速度增大，逆流方向則減少，因此傳播速度的變化引起超聲波傳播時間的變化。
1.1 系統綜述
??? 本系統主要通過時差法來測量氣體流量，因此時間的精確性起到了很大的作用。而TDC-GP2具有高精度時間測量、高速脈沖發生器、接收信號使能和時鐘控制等功能，具有這些特殊功能的模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量的應用。TDC-GP2芯片利用現代化的純數字化CMOS技術，將時間間隔的測量量化到65 ps的精度，給超聲波流量計的時差測量提供了完美的解決方案。
1.2 TDC-GP2結構及特點
??? TDC-GP2內部集成了非常多的適用于超聲波流量測量的功能。TDC-GP2的單次時間間隔測量的典型精度為65 ps，即內部通過1個邏輯門的時間被確定在大約65 ps。假設被測管徑為100 mm，流量為70 l/min。其他參數：流體的流動速度v為0.148 5 m/s；超聲波行走的路徑長度L為0.141 4 m；聲音在介質中的傳播速度C0為1 500 m/s；順流時間和逆流時間的時間差Δt≈13.2 ns。
??? 以GP2的65 ps精度測量所獲得的測量精度將可以優于0.5%。TDC-GP2有非常好的數據統計特性，它的內部集成了1個噪聲單元，這個噪聲單元的主要目的就是為了在多次采樣取平均值時可以最大限度地消除噪聲。但采用普通平均的方法是不能消除量化誤差的，因為最小的量化階已經固定，平均只能最高達到最小量化階越的精度。通過引入這個噪聲單元，使平均后的精度能夠(甚至)低于量化階越的精度成為可能[1]。
1.3 流速的測量算法
??? 時差法對超聲波氣體流量計的基本測量原理：
??? 在儀表的測量管段上，斜裝有1對超聲換能器1和換能器2，它們交替發射和接收超聲波脈沖，如圖1所示[2]。圖1中：C為氣體介質的聲速；V為管道中氣體介質的流速；L為聲程長度；θ為換能器與管道軸線夾角；D為管道直徑。
??? 在聲程L上，超聲波的傳播速度為聲速和流速分量的疊加。順流、逆流方向上的傳播時間t1、t2分別為：
分別測出順流、逆流方向上的傳播時間t1、t2后，可算出流速V：
因為測量得到的順、逆向上的傳播時間t1、t2包含了電路、電纜及換能器等產生的固有電聲延時τ1、τ2，須扣除其影響，所以式(3)可以改寫為：
??? 由于管壁及流體內部存在摩擦粘滯作用，實際流體流速在管道載面上存在著流速分布，對于在中心線上的單通道超聲波流量計，其測量的流速V實際上是管道截面內直徑上的線平均速度，而測量流量需要的是管道內截面的面平均流速Vm，它們之間并不相等。根據流體力學理論，當雷諾數大于4 000時，流體呈紊流狀態，此時線平均流速與面平均流速之間存在一動力學因子K(管道雷諾數Re的函數，工程上可在流量計校準時經實測得到)，即：
??? 
??? 在連續測量中，只要逐次將測得的Q瞬值對時間積分，就可得到任意時間段內的累積流量Q累，體積流量經壓力、溫度補償后，可得質量流量Q質：
式中，ρ0為標準狀態下氣體介質密度；p0、p分別為標準和實際狀態下的壓力；T0、T分別為標準和實際狀態下的溫度；Z為氣體壓縮系數。由式(4)、式(6)可以看出，聲時t1、t2的測量是流量測量的關鍵，在參數D、L、θ、τ1、τ2、K確定后，只要準確測出t1、t2，就能準確求得管道內的流速V及瞬時流量Q瞬，進而可求得累計流量Q累、質量流量Q質[2-4]。
2 測量超聲波流量的典型原理
??? 圖2為一個典型的信號處理的概念原理圖。為了能夠盡可能地保持零點流量時的時間延遲統一性，系統的接收和發射電路部分應該盡量保持絕對一致的關系。在換能器附近放置1個選擇開關來選擇換能器以保持電路相同，將會對測量非常有幫助[5]。
3 應用TDC-GP2的超聲波流量計的設計方案
??? 圖3為應用TDC-GP2設計的超聲波氣體流量計的簡單原理圖。整個超聲波測量系統通過單片機控制以及一些簡單電路，就可以實現對于流量的測量，其中核心的時差測量都是由TDC-GP2這個僅5 mm見方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大優勢外，TDC-GP2的高集成度使整個氣體流量計的電路設計簡單緊密。
??? 采用TDC-GP2設計的超聲波氣體流量計系統在提高測量精度的同時大大降低了功耗，是超聲波流量計的最佳選擇。應用此芯片開發的系統具有設計簡單、測量精度高、成本低廉、使用方便的優點。已有廠商使用此芯片成功地進行了超聲波流量計的研發。實際應用結果表明，TDC-GP2為超聲波流量計及超聲波氣體流量計的性能提供了保障。
參考文獻
[1] 德國acam messelectronic有限公司.TDC-cookbook.2003.
[2] 王彥芳，王小平，宋萬民，等.時差法超聲波流量計的高精度測量技術[J].微計算機信息，2006，22(6-1).
[3] 王立琦，王珍.高精度超聲波流量計的研制[J].哈爾濱商業大學學報，2001(9)：47-49.
[4] 黃建軍，劉存.改進超聲波流量計性能的研究[J].儀器儀表學報，2001(8)：87-88.