AT410596B

AT410596B - Sende- und empfangsschaltung für ultraschall-durchflussmesser

Info

Publication number: AT410596B
Application number: AT0156000A
Authority: AT
Inventors: Lars Jespersen
Original assignee: Danfoss As
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2003-06-25
Also published as: SE0003458D0; DE10048959A1; US6584861B1; RO121292B1; SE0003458L; SE523152C2; CN1293351A; PL342588A1; ATA15602000A; CN1188668C; PL201628B1; DK199901477A; RU2200938C2; DE10048959C2; UA66838C2

Description


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   Die Erfindung betrifft ein Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser der 
Art, wie angegeben im Oberbegriff von Anspruch 1. 



   In solchen Schaltungen ist es bekannt, dass die Messung der sehr kleinen Zeitunterschiede zwischen der Übertragung von Ultraschall mit bzw. gegen die Strömungsrichtung ein sehr hohes 
Mass an Symmetrie in den elektronischen Schaltungen, die zum Senden und Empfangen von 
Ultraschall-Signalen durch die Messwertwandler angewandt werden, erfordert, so dass die Grup- penlaufzeit für Signale in der Elektronikschaltung selbst für Mit- bzw. Gegenstrom Signalübertra- gung gleich wird. Es ist auch bekannt, dass die Impedanzen, die jeden Messwertwandler belasten, von der Sendesituation bis zur Empfangssituation konstant bleiben müssen, um die Umkehrbar- keitsbedingung für den Sensor zu erfüllen. Dadurch wird erreicht, dass bei stillstehendem Medium die Mit- und Gegenstrom Übertragungszeiten des Sensors gleich sind. 



   Das Problem wird in WO 94/17371 behandelt, das die Anwendung zweier identischer Übertra- gungs- und Empfangsschaltungen betrifft, einer für jeden Messwertwandler, die einen Verstärker mit einer ersten Eingangsklemme zur Verbindung mit einem Ultraschall-Messwertwandler, eine zweite Eingangsklemme zur Verbindung mit einer Signalquelle, eine Ausgangsklemme zur Verbin- dung mit einer Detektionsschaltung und eine Rückschaltungsverbindung zwischen der Ausgangs- klemme und der ersten Eingangsklemme aufweist. Jede Schaltung ist imstande als Sendeschal- tung oder als Empfangsschaltung zu arbeiten, und ihre Funktion wird mit Hilfe einer Umschaltan- ordnung oder durch Schalten beider Schaltungen zwischen Sende und Empfangsfunktion zum 
Erreichen der Ausstrahlung von Ultraschallsignalen in beiden Richtungen umgeschaltet.

   Abwei- chungen, die auf Komponententoleranzen zurückzuführen sind, verschiedene Temperaturkoeffi- zienten und dergleichen zwischen zwei solchen Schaltungen werden aber immer noch die Mög- lichkeit für sowohl feste als auch temperaturabhängige Gruppenlaufzeitunterschiede für Signale in den Elektronikschaltungen geben. 



   Die EP 0 686 832 A betrifft ein Verfahren zur Ultraschallmessung von Durchflussmengen von strömenden Fluiden, bei dem zwei kombinierte Sende- und Empfangswandler simultan mit einer Ultraschallfrequenz, die von einem Burst-Generator erzeugt wird, beaufschlagt werden und wech- selweise analoge, das Fluid in und gegen die Strömungsrichtung durchlaufende Signale empfan- gen. Eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden auf- grund von Laufzeitunterschieden von Ultraschallwellen ist in der US 4,515,021 A offenbart. Auch die DE 26 37 107 A zeigt eine einschlägige Vorrichtung. Allen diesen bekannten Systemen ist gemeinsam, dass durch Bauteiltoleranzen und temperaturbedingte Änderungen in den Eigenschaf- ten der einzelnen Bauteile Verfälschungen der Messwerte auftreten können. 



   Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Schaltung mit einer ver- besserten Kompensation für Komponententoleranzen und einer verbesserten Temperaturkompen- sation anzugeben. Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils vom Patentanspruch 1 gelöst. 



   Mit dieser Ausgestaltung wird die Zweiwege-Übertragung von Ultraschallsignalen mit nur einer einzelnen Sende- und Empfangsschaltung der angegebenen Art erreicht, indem die Umschal- tungsmittel abwechselnd eine der Ultraschall-Messwertwandler funktionsmässig mit der ersten Eingangsklemme verbinden. Komponententoleranzen, verschiedene Temperaturkoeffizienten und dergleichen werden mit der angegebenen Ausgestaltung für die Übertragung von Ultraschall in den beiden entgegengesetzten Richtungen gleich sein, so dass der Gruppenlaufzeit in der Elektronik- schaltung selbst für die Übertragung von Ultraschall in den beiden entgegengesetzten Richtungen gleich ist. Dies gilt für sowohl feste als auch variable Gruppenlaufzeitunterschiede, wobei die festen vorwiegend auf Komponententoleranzen und die variablen auf temperaturabhängige Parameter zurückzuführen sind.

   Wenn der feste Gruppenlaufzeitunterschied auf Null reduziert wird, wird erreicht, dass die Nullpunktskalibrierung/-eichung entfallen kann, wobei Fehlermöglichkeiten ent- fernt und Zeit gespart wird. Der temperaturabhängige Gruppenlaufzeitunterschied muss aus Rück- sicht auf z.B. Behördenzulassungen innerhalb festgesetzter Grenzen gehalten werden. Beim Senden von Ultraschallsignalen in einer ersten Richtung ist die Schaltung mit Hilfe der Umschal- tungsmittel mit dem ersten Ultraschall-Messwertwandler verbunden während ein Signal zum Messwertwandler übertragen und in ein Ultraschallsignal umwandelt wird.

   Danach wird die Schal- tung zur Verbindung mit dem zweiten Ultraschall-Messwertwandler zwecks Empfang des Signales umgeschaltet, das dann erzeugt wird, wenn der zweite Messwertwandler das Ultraschall-Signal, 

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 das vom ersten Messwertwandler kommt, empfängt. Beim Senden des Ultraschallsignals in umge- kehrter Richtung wird die Schaltung zuerst mit dem zweiten Messwertwandler zwecks Übertragung und nachfolgend mit dem ersten Messwertwandler zwecks Empfang verbunden. 



   Bevorzugte Ausführungsformen laut der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben, wobei verschiedene Platzierungen der Ultraschall-Messwertwandler und Umschal- tungsmittel in den Ansprüchen 2 bis 5, bevorzugte Frequenzbereiche der Ultraschall-Messwert- wandler im Anspruch 6 und die Möglichkeit der Anwendung von mehr als zwei Ultraschall- Messwertwandlern im Anspruch 7 angegeben sind. 



   Im folgenden, detaillierten Teil dieser Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausfüh- rungsbeispielen einer Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser laut der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erklärt. Hierin zeigen: 
Fig. 1 skizzenmässig eine Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser laut der Erfindung, wobei beide Ultraschall-Messwertwandler eine erste Klemme verbunden mit einem Referenzpotential und eine zweite Klemme verbunden mit der ersten Eingangsklemme des Verstärkers über ein Umschaltungsmittel aufweisen, 
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform laut der Erfindung, wobei zwei Ultraschall-Messwert- wandler in Reihe mit Umschaltungsmitteln parallel mit der Rückschaltungsverbindung am Verstärker geschaltet sind, 
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform, hauptsächlich der Fig.

   2 entsprechend, wobei die Um- schaltungsmittel parallel mit jedem der Messwertwandler zwecks Kurzschluss des nicht angewandten Messwertwandlers angebracht sind und die Messwertwandler in 
Reihe zwischen der Ausgangsklemme und der ersten Eingangsklemme des Verstär- kers verbunden sind, 
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform, hauptsächlich der Fig. 1 entsprechend, wobei die Um- schaltungsmittel parallel mit jedem der Messwertwandler zwecks Kurzschluss des nicht angewandten Messwertwandlers und die Messwertwandler in Reihe zwischen einem Referenzpotential und der ersten Eingangsklemme des Verstärkers ange- bracht sind. 



   Die in Fig. 1 gezeigte Sende- und Empfangsschaltung umfasst einen Verstärker 1 mit einer ersten, invertierten Eingangsklemme zur Verbindung mit einem Ultraschall-Messwertwandler TR1, TR2, wobei die Verbindung über eine Impedanz Z1 und die Umschaltungsmittel S1, S2 erzeugt wird. Die zweite, nicht invertierende Eingangsklemme ist mit einer (nur gezeigt in Fig.   1)   Signal- quelle verbunden, die in gesteuerter Weise elektrische Signale zur Übertragung an den Ultraschall- Messwertwandlern TR1, TR2 erzeugt. Eine   Rückschaltungsverbindung   besteht zwischen der Ausgangsklemme und der invertierenden Eingangsklemme über eine Impedanz Z2.

   Die Ausgangs- klemme am Verstärker 1 ist auch verbunden mit Detektierungsmitteln (nicht gezeigt) zur Ableitung von Übertragungszeitmessungen, die zur Berechnung des gemessenen Durchflusses angewandt werden, den man zu messen wünscht. 



   Die gezeigte Schaltung arbeitet folgendermassen: 
Wenn von TR1 zu TR2 gesandt wird, ist S1 geschlossen und die Signalquelle versorgt die Schaltung mit einem passenden elektrischen Signal, das über den Verstärker 1, die Impedanzen Z1 und Z2 sowie den Umschalter S1 auf den Messwertwandler TR1 übertragen wird. Ein passen- der Zeitraum nach der Abgabe eines Ultraschallsignals von TR1, bevor dies TR2 erreicht, wird S1 unterbrochen und S2 zwecks Empfang des Signals auf TR2 geschlossen. Das von TR2 empfan- gene Signal wird über den Umschalter S2 und die Impedanzen Z1, Z2 auf den Verstärker 1 über- tragen, zwecks Abgabe am Ausgang des Verstärkers 1 an die Detektierungsmittel.

   Wenn von TR2 zu TR1 gesendet wird, ist S2 geschlossen, und einen passenden Zeitraum nach Abgabe des Ultraschallsignals, bevor dies TR1 erreicht, wird S2 unterbrochen und S1 zwecks Empfang des Ultraschallsignals auf TR1 geschlossen. Daraus ersieht man, dass die Stellung von S1 und S2 immer die gleiche ist, obgleich von einem gegebenen Messwertwandler gesendet oder empfangen wird, wobei der Messwertwandler jederzeit eine konstante Impedanz sieht, die hauptsächlich der Impedanz des geschlossenen Umschalters S1, S2 und Z1 entspricht. 



   Gruppenlaufzeitunterschiede in den Verstärkern sind eliminiert, indem für beide Messwert- wandler das gleiche Verstärkerelement angewandt wird, und Gruppenlaufzeitunterschiede in den Umschaltern S1, S2 sind auch eliminiert, indem beide Umschalter Teil des Signalweges sind, 

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 unabhängig von der Übertragungsrichtung. 



   Ein Vorteil der gezeigten Schaltung ist der, dass der virtuelle Massepunkt am invertierenden 
Eingang des Verstärkers bei einem idealen Verstärker eine Impedanz von 0 ohm hat, unabhängig davon ob der eingeschaltete Messwertwandler sendet oder empfängt, was bedeutet, dass der Messwertwandler einer konstanten Impedanz sieht, die Z1 + der Impedanz des dazugehörigen 
Umschalters S1, S2 entspricht. Mit nicht-idealen Verstärkern wird die Impedanz im tatsächlichen Massepunkt einen endgültigen Wert haben, der von der open loop Ausgangsimpedanz des Ver- stärkers Z1, Z2, die Messwertwandlerimpedanz und die open loop Verstärkung des Verstärkers in dem Frequenzbereich, in dem der Messwertwandler arbeitet, abhängt.

   Die Belastung der Mess- wertwandler wird üblicherweise verschieden sein, die Umkehrbarkeit wird aber beibehalten, weil die Belastung von Sende- zu Empfangssituation konstant ist. Der übliche Messwertwandler- Frequenzbereich liegt zwischen etwa 40 KHz und einige MHz. 



   Die in den Fig. 2,3 und 4 gezeigten alternativen Schaltungsbeispiele haben alle, im Verhältnis zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, den Nachteil, dass die Messwertwandler vom Refe- renzpotential getrennt sein müssen. Die Funktion der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ent- spricht genau der in Fig. 1 gezeigten, indem die Forderungen an den Umschaltern S1, S2, für die beiden Schaltungen gleich sind, und zwar ein moderater Widerstand bei geschlossenem Umschal- ter und eine grosse Dämpfung bei unterbrochenem Umschalter. Die übrigen, in Fig. 3 und 4 gezeig- ten, Alternativen sind in der Praxis schwer zu realisieren, indem diese erfordern, dass der Wider- stand der Umschalter in geschlossenem Zustand wesentlich niedriger ist als die Messwertwandler- impedanzen um Crosstalk zu vermeiden.

   Da die Messwertwandlerimpedanzen typisch im Bereich unter einigen Hundert Ohm liegen, kann dies ein Problem sein, das man durch die Einführung von Reihenwiderständen in jedem Messwertwandlerzweig zu lösen versucht. 



   Auch wenn die Messwertwandler in den Figuren als reine Messwertwandlerkristalle gezeigt sind, ist selbstverständlich vorauszusetzen, dass diese passive Reihen- und Parallelimpedanzen und eventuelle Signaltransformatoren zur galvanischen Trennung enthalten. Die Schaltungen sind ausserdem ausschliesslich mit zwei Messwertwandlern gezeigt. In der Praxis können aber von 2 bis N Messwertwandlern vorhanden sein, um mehrspurige Messrohren zu berücksichtigen. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser, mit - mindestens zwei Ultraschall-Messwertwandlern (TR1, TR2) zur Übertragung und Emp- fang von Ultraschallsignalen in entgegengesetzten Richtungen über eine Messstrecke, - einer Signalquelle zur gesteuerten Erzeugung von elektrischen Signalen zur abwech- selnden Übertragung an einen der Ultraschall-Messwertwandler (TR1, TR2) und - Detektierungsmitteln zur Bestimmung von Übertragungszeiten zwischen den Ultra- schall-Messwandlern (TR1, TR2), die zur Berechnung des Durchflusses dienen, wobei die Sende- und Empfangsschaltung einen Verstärker (1) mit - einer ersten invertierenden Eingangsklemme zur Verbindung mit einem Ultraschall- 
Messwertwandler (TR1, TR2), - einer zweiten nicht invertierenden Eingangsklemme zur Verbindung mit der Signal- quelle,

   - einer Ausgangsklemme zur Verbindung mit den Detektierungsmitteln, und - einer Rückkoppelung (Z2) zwischen der Ausgangsklemme und der ersten Eingangs- klemme umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsschaltung - Schalter (S1, S2) zur abwechselnden funktionsmässigen Verbindung eines der Ultra- schall-Messwertwandler (TR1, TR2) mit der ersten Eingangsklemme enthält.

Claims

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionsmässig verbun- dene Messwertwandler (TR1, TR2) zwischen der ersten Eingangsklemme am Verstärker (1) und einem Referenzpotential geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionsmässig verbun- dene Messwertwandler (TR1, TR2) zwischen der ersten Eingangsklemme am Verstärker <Desc/Clms Page number 4> (1) und der Ausgangsklemme des Verstärkers geschaltet ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Messwertwandler (TR1, TR2) mit einem Schalter (S1, S2) in Reihe verbunden ist, wobei diese reihenverbundenen Messwertwandler und Umschalter (TR1, S1; TR2, S2) parallel geschaltet sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeder Messwertwandler (TR1, TR2) mit einem Schalter (S1, S2) parallelverbunden ist, wobei die- se parallelverbundenen Messwertwandler und Umschalter (TR1, S1; TR2, S2) in Reihe geschaltet sind.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultra- schallfrequenz zwischen 500 KHz und 2 MHz angewandt wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mess- rohr mit mehr als zwei Messwertwandlern vorgesehen ist.

HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN