ACAM時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片 TDC-GP2, 超聲波燃?xì)獗淼淖罴堰x擇
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[導(dǎo)讀]隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)絹碓街v求環(huán)保，污染嚴(yán)重的常規(guī)能源逐漸被人們擯棄。國(guó)家也在上世紀(jì)六七十年代推出燃?xì)夤艿勒呒跋鄳?yīng)措施。隨著燃?xì)廨敋夤艿赖呐d建與普及，燃?xì)獗砣缬旰蟠汗S般涌現(xiàn)，從機(jī)械式到電子式
隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)絹碓街v求環(huán)保，污染嚴(yán)重的常規(guī)能源逐漸 被人們擯棄。國(guó)家也在上世紀(jì)六七十年代推出燃?xì)?/strong>管道政策及相應(yīng)措施。隨著燃?xì)? 輸氣管道的興建與普及，燃?xì)獗砣缬旰蟠汗S般涌現(xiàn)，從機(jī)械式到電子式，從模式到超聲波，新概念新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，體現(xiàn)著人們對(duì)高品質(zhì)的追求。
目前市場(chǎng)上主流的燃?xì)獗碛袃煞N，一種為傳統(tǒng)式的機(jī)械式膜式燃?xì)獗?，一種為電子式膜式燃?xì)獗?，而超聲波燃?xì)獗碚詮?qiáng)勁的勢(shì)頭在燃?xì)獗硎袌?chǎng)中嶄露頭角。
機(jī)械式膜式燃?xì)獗淼脑砑皟?yōu)缺點(diǎn)
機(jī)械式膜式燃?xì)獗?，是通過機(jī)械滾輪實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械滾輪根據(jù)使用的氣量進(jìn)行加操作，每使用一個(gè)單位，滾輪技術(shù)加一，最終實(shí)現(xiàn)氣量計(jì)量記錄。當(dāng)流動(dòng)的氣體 經(jīng)過燃?xì)獗頃r(shí)，受到管道摩擦及機(jī)構(gòu)的阻擋，內(nèi)部的燃?xì)鈺?huì)在燃?xì)獗磉M(jìn)出口兩端產(chǎn)生壓力差，通過這個(gè)壓力差推動(dòng)膜式燃?xì)獗淼哪て谟?jì)量室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)配氣 機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)配氣，使得膜片的運(yùn)動(dòng)能夠連續(xù)往復(fù)的進(jìn)行，膜式燃?xì)獗硗ㄟ^內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，把直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成圓周運(yùn)動(dòng)，再通過圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械滾輪計(jì)數(shù)器 轉(zhuǎn)動(dòng)；膜片每往復(fù)一次，就排出一定量氣體，最終滾輪轉(zhuǎn)過一個(gè)技術(shù)單元，實(shí)現(xiàn)滾輪旋轉(zhuǎn)計(jì)量顯示效果。
機(jī)械式膜式燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、計(jì)量可靠、質(zhì)量穩(wěn)定，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，人工抄表花費(fèi)大等缺點(diǎn)使其發(fā)展受到一定的阻礙。
圖1：機(jī)械式膜式燃?xì)獗恚L輪）
目前市場(chǎng)上主流的燃?xì)獗碛袃煞N，一種為傳統(tǒng)式的機(jī)械式膜式燃?xì)獗?，一種為電子式膜式燃?xì)獗?，而超聲波燃?xì)獗碚詮?qiáng)勁的勢(shì)頭在燃?xì)獗硎袌?chǎng)中嶄露頭角。
機(jī)械式膜式燃?xì)獗淼脑砑皟?yōu)缺點(diǎn)
機(jī)械式膜式燃?xì)獗?，是通過機(jī)械滾輪實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械滾輪根據(jù)使用的氣量進(jìn)行加操作，每使用一個(gè)單位，滾輪技術(shù)加一，最終實(shí)現(xiàn)氣量計(jì)量記錄。當(dāng)流動(dòng)的氣體 經(jīng)過燃?xì)獗頃r(shí)，受到管道摩擦及機(jī)構(gòu)的阻擋，內(nèi)部的燃?xì)鈺?huì)在燃?xì)獗磉M(jìn)出口兩端產(chǎn)生壓力差，通過這個(gè)壓力差推動(dòng)膜式燃?xì)獗淼哪て谟?jì)量室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)配氣 機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)配氣，使得膜片的運(yùn)動(dòng)能夠連續(xù)往復(fù)的進(jìn)行，膜式燃?xì)獗硗ㄟ^內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，把直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成圓周運(yùn)動(dòng)，再通過圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械滾輪計(jì)數(shù)器 轉(zhuǎn)動(dòng)；膜片每往復(fù)一次，就排出一定量氣體，最終滾輪轉(zhuǎn)過一個(gè)技術(shù)單元，實(shí)現(xiàn)滾輪旋轉(zhuǎn)計(jì)量顯示效果。
機(jī)械式膜式燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、計(jì)量可靠、質(zhì)量穩(wěn)定，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，人工抄表花費(fèi)大等缺點(diǎn)使其發(fā)展受到一定的阻礙。
圖1：機(jī)械式膜式燃?xì)獗恚L輪）
電子式膜式燃?xì)獗淼脑砑皟?yōu)缺點(diǎn)
圖2：電子式膜式燃?xì)獗?/div>
圖2：電子式膜式燃?xì)獗?/div>
電子式膜式燃?xì)獗硎窃趥鹘y(tǒng)機(jī)械式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了電子計(jì)量方式、顯示功能、預(yù)付費(fèi)和遠(yuǎn)程抄表功能，實(shí)現(xiàn)了半電子化。
最核心部分是增加電子計(jì)量方式，通常情況下，會(huì)在機(jī)械滾輪上，并在最高精度位置裝有磁鐵，并且在滾輪的上下方裝有兩個(gè)干簧管，當(dāng)磁鐵沒到達(dá)干簧管位 置時(shí)，倆干簧管斷開；當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)到其中一個(gè)干簧管位置時(shí)，干簧管吸合。按如上電路示意圖配置，就會(huì)輸出如圖3右邊部分的電路波形S0、S1，單片機(jī)對(duì)這倆組 波形進(jìn)行判斷，即可得出氣表的工作狀態(tài)。當(dāng)S0,S1相繼出現(xiàn)一個(gè)低脈沖時(shí)，判斷為有效的脈沖計(jì)量，此時(shí)即可對(duì)預(yù)存的燃?xì)赓?gòu)買量進(jìn)行減操作；當(dāng)S0（或 S1）輸出的兩個(gè)脈沖之間，S1(或S0)沒有輸出脈沖，可判斷燃?xì)獗鞸1（或）S0出現(xiàn)故障，應(yīng)做一些故障處理，如報(bào)警，關(guān)閥等操作。
圖3：電子式膜式燃?xì)?br /> 電子式膜式燃?xì)獗砑夹g(shù)上改進(jìn)小，計(jì)量可靠性得到保證，新增的電子計(jì)量方式，實(shí)現(xiàn)了半電子化，有效解決了人工抄表的問題。但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，龐大的體積，依然制約著它的發(fā)展。
超聲波燃?xì)獗?br />
圖4：超聲波燃?xì)獗?/div>
最核心部分是增加電子計(jì)量方式，通常情況下，會(huì)在機(jī)械滾輪上，并在最高精度位置裝有磁鐵，并且在滾輪的上下方裝有兩個(gè)干簧管，當(dāng)磁鐵沒到達(dá)干簧管位 置時(shí)，倆干簧管斷開；當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)到其中一個(gè)干簧管位置時(shí)，干簧管吸合。按如上電路示意圖配置，就會(huì)輸出如圖3右邊部分的電路波形S0、S1，單片機(jī)對(duì)這倆組 波形進(jìn)行判斷，即可得出氣表的工作狀態(tài)。當(dāng)S0,S1相繼出現(xiàn)一個(gè)低脈沖時(shí)，判斷為有效的脈沖計(jì)量，此時(shí)即可對(duì)預(yù)存的燃?xì)赓?gòu)買量進(jìn)行減操作；當(dāng)S0（或 S1）輸出的兩個(gè)脈沖之間，S1(或S0)沒有輸出脈沖，可判斷燃?xì)獗鞸1（或）S0出現(xiàn)故障，應(yīng)做一些故障處理，如報(bào)警，關(guān)閥等操作。
圖3：電子式膜式燃?xì)?br /> 電子式膜式燃?xì)獗砑夹g(shù)上改進(jìn)小，計(jì)量可靠性得到保證，新增的電子計(jì)量方式，實(shí)現(xiàn)了半電子化，有效解決了人工抄表的問題。但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，龐大的體積，依然制約著它的發(fā)展。
超聲波燃?xì)獗?br />
圖4：超聲波燃?xì)獗?/div>
在目前的市場(chǎng)形勢(shì)下，一種更高科技，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、解決成本問題的新模式應(yīng)運(yùn)而生。超聲波燃?xì)獗砭褪窃谶@個(gè)形勢(shì)下被推上市場(chǎng)。
雖然超聲波燃?xì)獗韯倓偱d起，但相較于目前主流的模式，其優(yōu)勢(shì)顯而易見。超聲波燃?xì)獗碛捎谄淙娮訖C(jī)構(gòu)特點(diǎn)，與以往的機(jī)械表相比在機(jī)械噪音、精度、量 程、可重復(fù)性以及壽命、維護(hù)上都有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。超聲波燃?xì)獗碓跉W洲和日本已經(jīng)開始進(jìn)入民用市場(chǎng)，對(duì)于擁有約上千萬臺(tái)容量的中國(guó)燃?xì)獗硎袌?chǎng)來說，超聲 波燃?xì)獗淼目捎^前景必將會(huì)給有潛力的中國(guó)廠商帶來一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。
超聲波燃?xì)獗淼脑恚?/strong>
雖然超聲波燃?xì)獗韯倓偱d起，但相較于目前主流的模式，其優(yōu)勢(shì)顯而易見。超聲波燃?xì)獗碛捎谄淙娮訖C(jī)構(gòu)特點(diǎn)，與以往的機(jī)械表相比在機(jī)械噪音、精度、量 程、可重復(fù)性以及壽命、維護(hù)上都有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。超聲波燃?xì)獗碓跉W洲和日本已經(jīng)開始進(jìn)入民用市場(chǎng)，對(duì)于擁有約上千萬臺(tái)容量的中國(guó)燃?xì)獗硎袌?chǎng)來說，超聲 波燃?xì)獗淼目捎^前景必將會(huì)給有潛力的中國(guó)廠商帶來一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。
超聲波燃?xì)獗淼脑恚?/strong>
圖5：超聲波燃?xì)獗砉ぷ髟韴D
首先從upstream向下發(fā)送超聲波到downstream，并測(cè)出超聲波的飛行時(shí)間T1。
其次從downstream向上發(fā)送超聲波到upstream，并測(cè)出超聲波的飛行時(shí)間T2
鑒于這個(gè)兩個(gè)飛行時(shí)間的不同，通過下面面的公式就可以得出燃?xì)獾乃俾?。有了速率再加上管段的體積就可以算出流量。圖下圖6、圖7
圖6 圖7
超聲波燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)：
由于是全電子式，無機(jī)械部分，不受機(jī)械磨損、故障影響，產(chǎn)品的可靠性和精度提高很多。體積小、重量輕，重復(fù)性好，壓損小，不易老化，使用壽命長(zhǎng)；智能化，全電子式的結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)展為預(yù)付費(fèi)表或無線抄表功能。
acam公司GP2方案
針對(duì)超聲波燃?xì)獗淼氖袌?chǎng)，世強(qiáng)電訊攜acam公司GP2方案，協(xié)助您進(jìn)行超聲波燃?xì)?/strong>表的設(shè)計(jì)。
該方案的核心是acam公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的 時(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到65ps，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-GP2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，無需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP2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acam TDC-GP2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MCU和簡(jiǎn)單的比較器、模擬開關(guān) 元件就可完成控制和時(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-GP2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。
GP2的優(yōu)勢(shì)：
1、高精度分析。TDC-GP2的單次時(shí)間間隔測(cè)量的典型精度為 65ps,也就是說內(nèi)部通過 1個(gè)邏輯門的時(shí)間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性。通過多次平均測(cè)量可以使時(shí)間測(cè)量的典型精度降到10ps左右，這樣的數(shù)據(jù) 可以使在測(cè)量很小流量（例如 1.6m3/h）的情況下，同樣可以得到非常好的精度。
2、低功耗分析。GP2 將測(cè)量以脈沖的形式來進(jìn)行，尤其在超聲波測(cè)量中，TDC 的核心測(cè)量單元并不是時(shí)時(shí)刻刻都在工作的。它只測(cè)量 start 信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿和 stop信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿，而中間的時(shí)間則通過計(jì)算參考時(shí)鐘的周期數(shù)來完成，這樣的測(cè)量原理使測(cè)量時(shí)間的功耗降到非常低的水平。整個(gè)系統(tǒng) 的電流消耗在3-5μA 的范圍之內(nèi)。如果采用低功耗的微處理器（如 SiLabs公司的 C8051F92x/93x系列），則整臺(tái)設(shè)備的平均電流消耗可以降至 10-15μA。
首先從upstream向下發(fā)送超聲波到downstream，并測(cè)出超聲波的飛行時(shí)間T1。
其次從downstream向上發(fā)送超聲波到upstream，并測(cè)出超聲波的飛行時(shí)間T2
鑒于這個(gè)兩個(gè)飛行時(shí)間的不同，通過下面面的公式就可以得出燃?xì)獾乃俾?。有了速率再加上管段的體積就可以算出流量。圖下圖6、圖7
圖6 圖7
超聲波燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)：
由于是全電子式，無機(jī)械部分，不受機(jī)械磨損、故障影響，產(chǎn)品的可靠性和精度提高很多。體積小、重量輕，重復(fù)性好，壓損小，不易老化，使用壽命長(zhǎng)；智能化，全電子式的結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)展為預(yù)付費(fèi)表或無線抄表功能。
acam公司GP2方案
針對(duì)超聲波燃?xì)獗淼氖袌?chǎng)，世強(qiáng)電訊攜acam公司GP2方案，協(xié)助您進(jìn)行超聲波燃?xì)?/strong>表的設(shè)計(jì)。
該方案的核心是acam公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的 時(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到65ps，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-GP2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，無需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP2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acam TDC-GP2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MCU和簡(jiǎn)單的比較器、模擬開關(guān) 元件就可完成控制和時(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-GP2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。
GP2的優(yōu)勢(shì)：
1、高精度分析。TDC-GP2的單次時(shí)間間隔測(cè)量的典型精度為 65ps,也就是說內(nèi)部通過 1個(gè)邏輯門的時(shí)間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性。通過多次平均測(cè)量可以使時(shí)間測(cè)量的典型精度降到10ps左右，這樣的數(shù)據(jù) 可以使在測(cè)量很小流量（例如 1.6m3/h）的情況下，同樣可以得到非常好的精度。
2、低功耗分析。GP2 將測(cè)量以脈沖的形式來進(jìn)行，尤其在超聲波測(cè)量中，TDC 的核心測(cè)量單元并不是時(shí)時(shí)刻刻都在工作的。它只測(cè)量 start 信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿和 stop信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿，而中間的時(shí)間則通過計(jì)算參考時(shí)鐘的周期數(shù)來完成，這樣的測(cè)量原理使測(cè)量時(shí)間的功耗降到非常低的水平。整個(gè)系統(tǒng) 的電流消耗在3-5μA 的范圍之內(nèi)。如果采用低功耗的微處理器（如 SiLabs公司的 C8051F92x/93x系列），則整臺(tái)設(shè)備的平均電流消耗可以降至 10-15μA。
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