CN1329713C - 脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲发生器P，包括：控制逻辑SL，其利用控制脉冲控制开关SR，所述开关在输入侧连接至电源单元S并且在输出侧提供脉冲电压。在控制逻辑SL和开关SR之间连接电容器C01，所述电容器当控制脉冲的脉冲频率过低时降低脉冲电压。在电源单元S和开关SR之间还设置了RC元件，所述RC元件当控制脉冲的重复速率过高时降低脉冲电压。本发明使得能够在危险区域使用脉冲发生器。

Description

脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种脉冲发生器，特别是涉及一种用于超声流量测量设备的脉冲发生器。

背景技术

这种脉冲发生器在超声或雷达领域中的过程自动化技术中有许多应用。

超声流量测量设备以简单的方式允许对于管道中体积流速的无接触确定。

已知的超声流量测量设备基于多普勒原理或渡越时间差原理而工作。

在渡越时间差原理的情况中，相对于液体的流动方向分析超声脉冲的不同渡越时间。

为此，超声脉冲被向着流动方向及相反方向传输。根据渡越时间差，可以确定流速，并且已知管道截面直径，就可以确定体积流速。

在多普勒原理的情况中，已知频率的超声波耦合入液体中，并且分析被液体反射的超声波。根据耦合的和反射的波的频率偏移，可以类似地确定液体的流速。

然而，仅当液体中存在气泡或杂质时才发生反射，所以这个原理主要应用于污染的液体的情况。

根据情况，借助于所谓的超声换能器产生或接收超声波。为此，超声换能器牢固地位于关心的管道部分的管壁上。近来，也可以得到夹持式的超声测量系统。在这些系统的情况中，仅使用夹持器将超声换能器紧压在管壁上。这种系统可以从例如EP-B-686255和美国专利No.4484478和4598593中了解到。

基于渡越时间差的其它超声流量测量设备可以从美国专利No.5052230中了解到。这种情况中的渡越时间是使用脉冲串，即，短超声脉冲，确定的。

超声换能器通常由压电元件和耦合楔构成。超声波在压电元件中产生并利用耦合楔引导至管壁，并且从管壁引导至液体。由于声速在液体和塑料中是不同的，所以超声波在从一个介质过渡至另一介质时折射。折射角由Snell定律确定。通常，折射角依赖于两种介质中传播速度之比。

超声流量测量设备经常用于防爆区域。在这些区域中，存在可燃气体，要避免它们的燃烧。对于防爆区域，为了防止工厂和人员受到危险，有相应的安全规范。当超过外部工作电压、电流、电感或电容的确定值并且随后足够的能量引入气体使得触发燃烧过程时，可以发生气体燃烧。要得到足够的测量精度，需要高脉冲电压。在小脉冲电压的情况，信号分析变得极为困难。危险区域在已知的安全标准中被分为由不同安全准则管理的不同区域。在管理产生电压脉冲的控制逻辑发生故障的情况中，每个脉冲串的脉冲周期的数目有可能变得非常大，脉冲频率非常高，或者脉冲串重复速率非常高。所有这些情况都可能导致气体点燃。必须类似地防止电源单元的电压总是在输出的情况。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种脉冲发生器，其特别适合于超声流量测量设备，并且也允许危险区域中的安全应用。

这个目的通过这样一种脉冲发生器实现，其包括利用控制脉冲控制开关的控制逻辑，开关在输入侧与电源单元相连并且在输出侧提供脉冲电压，其特征在于，在控制逻辑和开关之间连接电容器，其当控制脉冲的脉冲频率过小时降低脉冲电压，并且在电源单元和开关之间设置RC元件，其当控制脉冲的重复速率过高时降低脉冲电压。

本发明的一个基本思想是在电源单元和开关之间放置RC元件，从而当以非常高的重复速率控制开关时降低脉冲电压，并且在控制逻辑和开关之间放置电容器，从而在控制脉冲的脉冲频率非常低的情况中降低脉冲电压。

附图说明

现在根据在附图中提出的实施例的例子，更加详细地解释本发明，在附图中：

图1是超声流量测量设备的示意图；

图2是本发明的用于超声流量测量设备的脉冲发生器的示意电路框图；和

图3由图3a、3b、3c构成，是对于控制逻辑的不同特性，脉冲电压与时间的关系图。

具体实施方式

图1以非常简化的方式显示了具有两个超声换能器2、3的超声流量测量设备，这两个超声换能器2、3在管道1的外壁上轴向平行地移位放置。管道1中的液体F以箭头方向流动。

这个换能器对可以以两种不同方式操作。或者超声换能器2用作发射换能器且超声换能器3用作接收换能器，或者超声换能器2用作接收换能器且超声换能器3用作发射换能器，使得测量在流动方向上或者与流动方向相对。

每一超声换能器2、3都由压电元件P2或P3和耦合元件21或31构成，耦合元件将超声信号以小于90度的角度α耦合入管道臂或者耦合出管道臂。这样选择角度α，使得在介质中获得尽可能平的角度，同时可以将超声耦合入尽可能多的管材料而不发生全反射。

压电元件P2、P3或者将超声脉冲转换为机械振荡，或者反之，将机械振荡转换为电振荡，其中，机械振荡为实际超声信号。

超声换能器2、3都通过导线23或33与测量电路100连接，测量电路100包括脉冲发生器。通过导线23、33馈送电脉冲。

借助于脉冲发生器P产生控制压电元件的电压脉冲，脉冲发生器P主要包括控制逻辑SL、开关SR和电源单元S(图2)。控制逻辑SL提供操作开关SR的控制信号。通过开关SR的闭合和打开而产生电压脉冲。在正常操作条件中通过电源单元S的输出电压确定脉冲电压的幅度。

控制逻辑SL允许设置每脉冲串的周期数目、脉冲频率以及脉冲串的重复速率。这些设置是可变的并且存储在控制逻辑SL中的数据记录中。可以借助于微处理器μC改变设置。

电源单元S通过由电阻R1和电容器C1构成的RC元件与用作开关SR的场效应晶体管(FET)的输入E1相连。控制逻辑SL还经由两个电容器C01和C02与场效应晶体管(FET)的第二输入E2相连。场效应晶体管FET的输出A1通过电阻A3与超声换能器2相连。超声换能器2主要由压电元件构成，在电路中，压电元件还具有正的或有源元件(电阻、电感、二极管)。控制逻辑SL由微处理器μC控制。由于脉冲发生器P产生双极性电压脉冲，所以将电路的上部向下镜像。

现在更详细地解释本发明的操作。控制逻辑SL提供操作开关SR的控制脉冲。控制逻辑SL被正常调节，使得产生作为脉冲串的电压脉冲，其具有1-10毫秒的重复速率和几百千赫的脉冲频率。图3a显示了相应的脉冲电压与时间的关系图。这里，脉冲频率是500千赫。一个脉冲串具有5个脉冲，脉冲串的重复速率是5毫秒，脉冲电压的幅度位于30伏，这是电源单元S的输出电压。

控制逻辑SL的一种可能的故障可能导致脉冲频率过小。图3b中显示了这种情况，其中脉冲频率仅有50千赫。很明显，对于各个脉冲，脉冲电压的幅度剧烈下降。在5个脉冲之后，脉冲电压已经减少了超过原始开始值的一半。

控制逻辑SL的另一种故障可能导致重复速率过高。图3c中显示了这种情况。这里，重复速率为100毫秒。脉冲电压的幅度现在仅为约5伏。

借助于本发明的脉冲发生器，尽管在控制逻辑SL的故障的情况，也可能甚至在防爆区域中安全操作。

本发明的脉冲发生器可以以多种方式应用，不仅在超声领域，还可以在雷达领域等。

Claims (7)

1.脉冲发生器，包括利用控制脉冲控制开关SR的控制逻辑SL，开关SR在输入侧与电源单元S相连并且在输出侧提供脉冲电压，其特征在于，在控制逻辑SL和开关SR之间连接电容器C01，其当控制脉冲的脉冲频率过小时降低脉冲电压，并且在电源单元S和开关SR之间设置RC元件，其当控制脉冲的重复速率过高时降低脉冲电压。

2.如权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，开关SR是场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中RC元件具有使得不可能发生燃烧的时间常数。

4.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中具有与电容器C01串联连接的电容器C02。

5.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中为了限流，在开关SR之后连接输出电阻A3。

6.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中产生双极性电压脉冲。

7.根据前述任一条权利要求所述的脉冲发生器，其中它用于超声流量测量设备。

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