CN1188668C - 适合于超声波流量测量计的发射和接收电路 - Google Patents

Abstract

一个发射和接收电路被安装用于在相反的方向上经过一个测量路段传输并接收超声波信号，一个信号源，该电信号用于传输给超声波测量值变换器，和检测单元，传输时间测量用于计算流量，发射和接收电路包含放大器，其具有一个反向的输入端，一个非反向的输入端，一个输出端，在输出端和第一输入端之间的一个反向连接通过引入用于超声波测量值变换器中的一个轮流按功能与第一输入端连接的转换单元。

Description

适合于超声波流量测 量计的发射和接收电路

本发明涉及一个适合于超声波流量测量计的发射和接收电路，尤其涉及包括以下装置的发射和接收电路电路：至少二个超声波测量值变换器，用于在相反的方向上经过一个测量路段传输并接收超声波信号，一个用于控制产生电信号的信号源，该电信号用于传输给超声波测量值变换器，和用于推导传输时间测量的检测单元，传输时间测量用于计算想要测量的流量，所述的发射和接收电路包含一个放大器，具有一个用于与一个超声波测量值变换器连接的第一个、反向的输入端，一个用于与信号源连接的第二个、非反向的输入端，一个用于与检测单元连接的输出端，在输出端和第一输入端之间的一个反向连接。

在如此的电路中已知，在超声波顺着或者逆着流动方向的传输之间非常小的时差的测量要求在电子电路中特别高程度的平衡，该电子电路应用于通过测量值变换器来发射和接收超声波信号，以至电子电路中信号的群时延甚至对于顺流或者逆流信号传输是相同的。也已知，加载于每一个测量值变换器的阻抗从发射状态直到接收状态必须保持恒定，以便满足传感器的可转换条件。因此实现，在静止的介质中传感器的顺流或者逆流传输时间是相同的。

这个问题在WO 94/17371中讲述，该问题涉及二个相同的传输和接收电路的应用，任何一个电路适用每一个测量值变换器，该电路具有一个放大器，该放大器具有一个用于与一个超声波测量值变换器连接的第一输入端、一个用于与一个信号源连接的第二输入端、一个用于与检测电路连接的输出端和一个在输出端和第一输入端之间的反向连接。每个电路能够作为发射电路或作为接收电路工作，借助与一个转接装置或通过二个电路在用于实现超声波信号辐射的发射和接收功能之间的转换在二个方向上转换电路的功能。可是归因于元件公差的偏差、在二个如此电路之间的不同温度系数和类似原因在电子电路中还始终产生信号的不仅固定的而且依赖于温度的群时延差的可能。

根据这种现有技术，本发明的目的是描述适合于开始提到形式的超声波流量测量计的发射和接收电路，以这种电路能够解决由于元件公差、不同的温度系数和类似原因在二个如此电路之间的偏差问题，而且因此实现所应用电路的简化，并且借助于一个所提到形式的电路实现这个目的，根据本发明的这个电路还包含用于超声波测量值变换器中的一个轮流按功能与第一输入端连接的转接单元。通过超声波介质按功能以第一个输入端轮流地连接超声波测量值变换器中的一个的方法，就这个装置以仅仅一个单独的所指出形式的发射和接收电路实现超声波信号的双向传输。就这种指出的传输超声波的布置来说，元件公差、不同的温度系数和类似原因在二个相反的方向上是相同的，以致在电子电路中的群时延本身对于超声波的传输来说在二个相反的方向上是相同的。这不仅适合于固定的而且也适合于可变的群时延差，对此，固定的群时延差主要归因于元件公差，并且可变的群时延差归因于依赖温度的参数。如果固定群时延差降低到零，则实现，可以取消零点校准/校验，对此消除产生误差的可能性并节约时间。在确定的极限内部考虑到例如官方的允许必须保持依赖于温度的群时延差。当在一个第一个方向上发射超声波时，电路借助于转接单元与第一个超声波测量值变换器连接，同时信号传输给测量值变换器，并转变为超声波信号。然后为了接收信号的目的该电路转接为与第二个超声波测量值变换器连接，当然该信号的产生是因为第二测量值变换器接收来自第一测量值变换器的信号。当在相反的方向上发射超声波信号时，该电路首先为了传输的目的与第二测量值变换器连接，接着为了接收目的与第一测量值变换器连接。

根据本发明的优选实施形式包括：超声波测量值变换器和转接单元的第一种放置为：测量值变换器按功能连接在放大器的第一输入端和参考电位之间；

超声波测量值变换器和转接单元的第二种放置为：测量值变换器按功能连接在放大器的第一输入端和放大器的输出端之间；

超声波测量值变换器和转接单元的第三种放置为：每个测量值变换器与一个转接单元串联，其中这些串联的测量值变换器和切换开关并联；

超声波测量值变换器和转接单元的第四种放置为：每个测量值变换器与一个转接单元并联，其中这些并联的测量值变换器和切换开关串联。

超声波测量值变换器的优选频率范围为500kHz和2MHz之间。另外可以应用多于二个超声波测量值变换器，即应用具有N个测量值变换器的测量管，其中N≥2。。

在下面，本说明的详细叙述部分中结合附图根据适合于按照本发明的超声波流量测量计的一个发射和接收电路的实施例解释本发明。图示：

图1概括指出了适合于根据本发明的超声波流量测量计的一个发射和接收电路，其中二个超声波测量值变换器具有一个与参考电位连接的第一端子和一个与放大器的第一输入端经过转接单元连接的第二端子，

图2根据本发明的一个第二实施形式，其中平行于反向连接，二个超声波测量值变换器与转接单元串接在放大器上，

图3一个第三实施形式，主要根据图2，其中，为了短接没有使用的测量值变换器转接单元与测量值变换器的每一个平行安装，并且测量值变换器在放大器的输出端和第一输入端之间串联，

图4一个第四实施形式，主要根据图1，其中，为了短接没有使用的测量值变换器转接单元与测量值变换器的每一个平行安装，并且测量值变换器在一个参考电位和放大器的第一输入端之间串联安装。

在图1中指出的发射和接收电路包含一个放大器1，其具有一个用于与一个超声波测量值变换器TR1、TR2连接的第一个、反向的输入端，其中经过一个阻抗Z1和转接单元S1、S2产生这个连接。第二个、非反向的输入端与一个(仅仅在图1中指出)信号源连接，该信号源以控制的方式产生用于传输到超声波测量值变换器TR1、TR2上的电信号。在输出端和反向输入端之间经过阻抗Z2存在一个反向连接。在放大器1上的输出端也与用于推导出传输时间测量的检测电路(没有指出)连接，该传输时间测量用于计算想要测量的被测流量。

所指出的电路如下工作：

如果从TR1发送到TR2，则S1接通，并且信号源给该电路提供一个恰当的电信号，其经过放大器1、阻抗Z1和Z2以及切换开关S1传输到测量值变换器TR1上。在TR1输出超声波信号之后、在超声波信号到达TR2之前的一个恰当时间间隔中断S1，并且为了接收信号的目的S2接通到TR2上。为了在放大器1的输出端输出到检测单元，由TR2接收的信号经过切换开关S2和阻抗Z1、Z2传输到放大器1上。如果从TR2发送到TR1，接通S2，并且在输出超声波信号之后、在超声波信号到达TR1之前的一个恰当时间间隔中断S2，并且为了接收信号的目的S1接通到TR1上。由此看出，S1和S2的位置始终是相同的，虽然由一个已有的测量值变换器发射或接收，对此测量值变换器任何时候理解为一个恒定的阻抗，其主要与连接的切换开关S1、S2和Z1的阻抗一致。

通过相同的放大器元件用于二个测量值变换器，消除了在放大器中的群时延差，并且通过二个切换开关是信号路径的一部分，不依赖于传输方向，也消除了在切换开关S1、S2中的群时延差。

所指出的电路的优点是，在一个理想的放大器中，在放大器的反向输入端上的虚拟的接地点有0欧姆的阻抗，不取决于连通的测量值变换器是否发射或接收，这意味着，测量值变换器理解为一个恒定的阻抗，其与Z1+附属切换开关S1、S2的阻抗一致。就非理想的放大器来说，在实际接地点中的阻抗有一个明确的值，该值依赖于放大器的开环输出阻抗Z1、Z2、测量值变换器阻抗和在测量值变换器工作的频率范围内放大器的开环增益。测量值变换器的负载通常是不同的，可是将保持可转变性，因为发射和接收状态的负载是恒定的。通常的测量值变换器的频率范围在大约40KHz和几MHz之间。

在图2、3和4中指出的有选择的电路实例具有一切的与在图1中指出的实施形式相比缺点是，测量值变换器必需与参考电位分离。在图2中指出的实施形式的功能与在图1中指出的实施形式的功能完全一致，这就对切换开关S1、S2提出要求，对于这二个电路来说是相同的，也就是在接通切换开关时有缓冲电阻，并且在中断切换开关时有较大的衰减。剩余的、在图3和图4中指出的选择在实践中难于实现，这就要求，为了避免串音，切换开关的电阻在接通状态显著低于测量值变换器阻抗。因为测量值变换器阻抗典型地在几百欧姆以下的范围，所以这可能是一个问题，通过在每个测量值变换器路径中引入串联电阻尝试解决这个问题。

如果测量值变换器在图中作为纯的测量值变换器晶体表明，则理所当然以此为前提条件，即该晶体包含无源串联阻抗和并联阻抗，并且可能包含用于电气绝缘的信号变换器。此外仅仅以二个测量值变换器表示电路。可是在实践中可能存在2到N个测量值变换器，以便考虑多轨迹的测量管。

Claims (7)

1.适合于超声波流量测量计的发射和接收电路，具有

a.至少二个超声波测量值变换器(TR1、TR2)，用于在相反的方向上经过一个测量路段传输并接收超声波信号，

b.一个用于控制产生电信号的信号源，该电信号用于传输给超声波测量值变换器(TR1、TR2)，和

c.用于推导传输时间测量的检测单元，传输时间测量用于计算想要测量的流量，

如此的发射和接收电路包含一个放大器(1)，具有

d.一个用于与一个超声波测量值变换器(TR1、TR2)连接的第一个、反向的输入端，

e.一个用于与信号源连接的第二个、非反向的输入端，

f.一个用于与检测单元连接的输出端，

g.在输出端和第一输入端之间的一个反向连接(Z2)

其特征在于，其进一步包含如下单元

h.用于超声波测量值变换器(TR1、TR2)中的一个轮流按功能与第一输入端连接的转接单元(S1、S2)。

2.按照权利要求1的电路，其特征在于，测量值变换器(TR1、TR2)按功能连接在放大器(1)的第一输入端和参考电位之间。

3.按照权利要求1的电路，其特征在于，测量值变换器(TR1、TR2)按功能连接在放大器(1)的第一输入端和放大器的输出端之间。

4. 按照权利要求1至3之一的电路，其特征在于，每个测量值变换器(TR1、TR2)与一个转接单元(S1、S2)串联，其中这些串联的测量值变换器和切换开关(TR1、S1；TR2、S2)并联。

5.按照权利要求1至3之一的电路，其特征在于，每个测量值变换器(TR1、TR2)与一个转接单元(S1、S2)并联，其中这些并联的测量值变换器和切换开关(TR1、S1；TR2、S2)串联。

6.按照权利要求1至3之一的电路，其特征在于，应用在500kHz和2MHz之间的超声波频率。

7.按照权利要求1至3之一的电路，其特征在于，应用具有N个测量值变换器的测量管，其中N≥2。

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