ACAM时间数字转换芯片 TDC-GP2, 超声波燃气表的最佳选择

 

 

随着生活水平的不断提高，人们越来越讲求环保，污染严重的常规能源逐渐 被人们摈弃。国家也在上世纪六七十年代推出燃气管道政策及相应措施。随着燃气 输气管道的兴建与普及，燃气表如雨后春笋般涌现，从机械式到电子式，从模式到超声波，新概念新技术的不断涌现，体现着人们对高品质的追求。
    目前市场上主流的燃气表有两种，一种为传统式的机械式膜式燃气表，一种为电子式膜式燃气表，而超声波燃气表正以强劲的势头在燃气表市场中崭露头角。
    机械式膜式燃气表的原理及优缺点
    机械式膜式燃气表，是通过机械滚轮实现的，机械滚轮根据使用的气量进行加操作，每使用一个单位，滚轮技术加一，最终实现气量计量记录。当流动的气体 经过燃气表时，受到管道摩擦及机构的阻挡，内部的燃气会在燃气表进出口两端产生压力差，通过这个压力差推动膜式燃气表的膜片在计量室内运动，并且带动配气 机构进行协调配气，使得膜片的运动能够连续往复的进行，膜式燃气表通过内部的机械结构，把直线往复运动转变成圆周运动，再通过圆周运动带动机械滚轮计数器 转动；膜片每往复一次，就排出一定量气体，最终滚轮转过一个技术单元，实现滚轮旋转计量显示效果。
    机械式膜式燃气表的优点是技术成熟、计量可靠、质量稳定，但其结构复杂、体积大，人工抄表花费大等缺点使其发展受到一定的阻碍。

图1：机械式膜式燃气表（滚轮）

电子式膜式燃气表的原理及优缺点

图2：电子式膜式燃气表

电子式膜式燃气表是在传统机械式基础上进行改进，增加了电子计量方式、显示功能、预付费和远程抄表功能，实现了半电子化。
    最核心部分是增加电子计量方式，通常情况下，会在机械滚轮上，并在最高精度位置装有磁铁，并且在滚轮的上下方装有两个干簧管，当磁铁没到达干簧管位 置时，俩干簧管断开；当磁铁转到其中一个干簧管位置时，干簧管吸合。按如上电路示意图配置，就会输出如图3右边部分的电路波形S0、S1，单片机对这俩组 波形进行判断，即可得出气表的工作状态。当S0,S1相继出现一个低脉冲时，判断为有效的脉冲计量，此时即可对预存的燃气购买量进行减操作；当S0（或 S1）输出的两个脉冲之间，S1(或S0)没有输出脉冲，可判断燃气表S1（或）S0出现故障，应做一些故障处理，如报警，关阀等操作。

                                        图3：电子式膜式燃气
    电子式膜式燃气表技术上改进小，计量可靠性得到保证，新增的电子计量方式，实现了半电子化，有效解决了人工抄表的问题。但其复杂的结构，庞大的体积，依然制约着它的发展。
超声波燃气表

图4：超声波燃气表

在目前的市场形势下，一种更高科技，优化结构、解决成本问题的新模式应运而生。超声波燃气表就是在这个形势下被推上市场。
   虽然超声波燃气表刚刚兴起，但相较于目前主流的模式，其优势显而易见。超声波燃气表由于其全电子机构特点，与以往的机械表相比在机械噪音、精度、量 程、可重复性以及寿命、维护上都有着无可比拟的优势。超声波燃气表在欧洲和日本已经开始进入民用市场，对于拥有约上千万台容量的中国燃气表市场来说，超声 波燃气表的可观前景必将会给有潜力的中国厂商带来一个新的发展机遇。
超声波燃气表的原理：

                             图5：超声波燃气表工作原理图
    首先从upstream向下发送超声波到downstream，并测出超声波的飞行时间T1。
    其次从downstream向上发送超声波到upstream，并测出超声波的飞行时间T2
    鉴于这个两个飞行时间的不同，通过下面面的公式就可以得出燃气的速率。有了速率再加上管段的体积就可以算出流量。图下图6、图7


                            图6                                    图7

超声波燃气表的优点：
    由于是全电子式，无机械部分，不受机械磨损、故障影响，产品的可靠性和精度提高很多。体积小、重量轻，重复性好，压损小，不易老化，使用寿命长；智能化，全电子式的结构，可以扩展为预付费表或无线抄表功能。
acam公司GP2方案
    针对超声波燃气表的市场，世强电讯携acam公司GP2方案，协助您进行超声波燃气表的设计。



    该方案的核心是acam公司的时间数字转换芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的 时间测量功能，分辨率达到65ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障；TDC-GP2的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能 器，无需另外增加驱动芯片；TDC-GP2测量的低功耗特性使得流量计的整体功耗大幅降低，为电池供电设备提供了优良的解决方案。
    使用acam TDC-GP2的超声波流量计方案相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，大大简化了硬件电路设计，只需搭配MCU和简单的比较器、模拟开关 元件就可完成控制和时间测量回路的设计。该方案使电路设计得到简化的同时大大缩小了设备的PCB面积，使设备的生产、维护也更加方便容易。
    TDC-GP2还带有两路温度测量功能，可直接接PT1000或PT500热电阻进行温度测量，这为热量表的应用提供了集成化的解决方案。
GP2的优势：
    1、高精度分析。TDC-GP2的单次时间间隔测量的典型精度为 65ps,也就是说内部通过 1个逻辑门的时间被确定在大约65ps。TDC-GP2有非常好的数据统计特性。通过多次平均测量可以使时间测量的典型精度降到10ps左右，这样的数据 可以使在测量很小流量（例如 1.6m3/h）的情况下，同样可以得到非常好的精度。
    2、低功耗分析。GP2 将测量以脉冲的形式来进行，尤其在超声波测量中，TDC 的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量 start 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和 stop信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则通过计算参考时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。整个系统 的电流消耗在3-5μA 的范围之内。如果采用低功耗的微处理器（如 SiLabs公司的 C8051F92x/93x系列），则整台设备的平均电流消耗可以降至 10-15μA。