1 体系设计

    因为气体的可紧缩性，决议了它的流量测量比液体庞杂，仪表的输出信号除了与输入信号有关，还与气体密度有关，同时关闭管道中气体体积流量的测量有多种办 法，因时差法战胜了声速随流体温度变化带来的误差，正确度较高，迄今为止被海内外的厂家普遍采用，所以本文采用时差法原理测量封锁管道内的气体体积流量。 时差法就是依据时间的变更盘算出管道中气体的体积流量。因为声波在流体中传播时，顺流方向传播速度增大，逆流方向则减少，因此传播速度的变化引起超声波传 播时间的变化。

    1.1 系统综述

    本系统重要通过期差法来测量气体流量，因此时间的准确性起到了很大的作用。而tdc-gp2拥有高精度时间测量、高速脉冲产生器、吸收信号使能和时钟掌握 等功效，具备这些特别功能的模块使得它尤其合适于超声波流量测量的应用。tdc-gp2芯片应用古代化的纯数字化cmos技巧，将时间距离的测量量化到 65ps的精度，给超声波流量计的时差测量提供了完善的解决计划。

    1.2 tdc-gp2构造及特色

    tdc-gp2内部集成了异常多的实用于超声波流量测量的功效。tdc-gp2的单次时间距离测量的典范精度为65ps，即内部通过1个逻辑门的时间被断 定在大概65ps。假设被测管径为100mm，流量为70l/min。其余参数：流体的流动速度v为0.1485m/s；超声波行走的门路长度l为 0.1414m；声音在介质中的传播速度c0为1500m/s；顺流时间和逆流时间的时间差Δt≈13.2ns。

    1.3 流速的测量算法

    时差法对超声波气体流量计的基础丈量原理：

    在仪表的测量管段上，斜装有1对超声换能器1和换能器2，它们交替发射和接受超声波脉冲，如图1所示[2]。图1中：c为气体介质的声速；v为管道中气体介质的流速；l为声程长度；θ为换能器与管道轴线夹角；d为管道直径。

图1 超声波时差法原理示用意

    。超声波流量计采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确。在声程l上，超声波的流传速度为声速跟流速分量的叠加。顺流、逆流方向上的传布时光t1、t2分离为：

    分辨测出顺流、逆流方向上的传布时光t1、t2后，可算出流速v：

    由于测量得到的顺、逆向上的流传时间t1、t2包括了电路、电缆及换能器等发生的固有电声延时τ1、τ2，须扣除其影响，所以式可以改写为：

    因为管壁及流体内部存在摩擦粘滞作用，实际流体流速在管道载面上存在着流速散布，对在核心线上的单通道超声波流量计，其测量的流速v实际上是管道截面内直 径上的线均匀速度，而测量流量须要的是管道内截面的面平均流速vm，它们之间并不相等。依据流膂力学实践，当雷诺数大于4000时，流体呈紊流状况，此时 线均匀流速与面平均流速之间存在一能源学因子k，即：

    从而可得刹时体积流量q瞬：

    在持续测量中，只有逐次将测得的q瞬值对时间积分，就可得到任意时间段内的累积流量q累，体积流量经压力、温度弥补后，可得品质流量q质：

式 中，ρ0为尺度状态下气体介质密度；p0、p分辨为标准和实际状况下的压力；t0、t分离为标准和实际状态下的温度；z为气体紧缩系数。由式、式可以看 出，声时t1、t2的测量是流量测量的要害，在参数d、l、θ、τ1、τ2、k肯定后，只有精确测出t1、t2，就能正确求得管道内的流速v及刹时流量q 瞬，进而可求得累计流量q累、品质流量q质[2-4]。

    2 测量超声波流量的典型原理

    图2为一个典范的信号处置的概念原理图。为了可能尽可能地保持零点流量时的时间延迟同一性，系统的接受和发射电路局部应当尽量保持相对一致的关联。在换能器邻近放置1个抉择开关来取舍换能器以坚持电路雷同，将会对测量十分。液体超声波流量计安装方便,操作简单液体超声波流量计精度高,范围宽。有辅助[5]。

图2 测量超声波流量的原理图

    3 运用tdc-gp2的超声波流量计的设计计划

    图3为利用tdc-gp2设计的超声波气体流量计的简略原理图。全部超声波丈量体系通过单片机把持以及一些简单电路，就能够实现对流量的测量，其中中心的 时差测量都是由tdc-gp2这个仅5mm见方的芯片实现的。除了功耗跟精度方面的宏大上风外，tdc-gp2的高集成度使全部气体流量计的电路设计简略 严密。

    采取tdc-gp2设计的超声波气体流量计系统在进步测量精度的同时大大下降了功耗，是超声波流量计的最佳挑选。应用此芯片开发的系统存在设计简单、测量 精度高、本钱低廉、应用便利的长处。已有厂商应用此芯片胜利地进行了超声波流量计的研发。实际应用成果表明，tdc-gp2为超声波流量计及超声波气体流 量计的机能提供了保障。