CN1975347A - 具有lc滤波器的换能器控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对流量测量设备中的超声波换能器进行信号处理的装置，其中超声波换能器施加有正弦信号，其中所述超声波换能器(6)与一个调谐到正弦信号频率上的谐振电路(8，10)相连接。所述谐振电路特别可以是一个网络(10)的组件，该网络可以将超声波换能器(12，13)从发送操作状态切换到接收操作状态。本发明还涉及一种根据传播时间原理的超声波流量测量计，具有一定测量距离、用于发送和接收超声波信号的装置、以及用于对接收到的超声波信号进行进一步信号处理的装置。为了解决本发明的任务，提供了一个超声波流量测量计，它能提供在品质因数方面得到改善的电压信号用于分析，同时能降低其制造成本，设置了一个振荡回路，尤其是串联振荡回路(1)，作为用于对接收到的超声波信号进行进一步信号处理的装置，其中所述振荡回路与一个比较器(5)相连接。所述振荡回路有利地通过LC电路、PI电路(6)或PLC电路来实现。

Description

具有LC滤波器的换能器控制

技术领域

本发明涉及一种用于控制流量测量设备中的超声波换能器的装置，其中超声波换能器施加有正弦信号。

背景技术

由DE10048959C2公开了一种这种类型的装置，其中一个运算放大器的非反相输入端由一个正弦信号来控制，而两个超声波换能器中的一个可以通过一个转换器以选择方式与所述非反相输入端相连。

然而在由数字组件构成的换能器控制器中存在这样的问题：即以数字化方式生成正弦信号是花费很大的。另一方面，在用矩形信号控制换能器时，同时激励换能器、从而由换能器一起传送的高次谐波分量会出现干扰，使得测量信号出现错误。此外，在短脉冲串的情况下，不希望用包含直流电压分量的信号来控制这种换能器，因为静止信号通常在工作电压极值中之一的情况下具有一个平均值，而脉冲串信号的平均值介于多个工作电压极值之间，因此这里会叠加一个阶跃函数。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于控制流量测量设备中的超声波换能器的装置，它不仅廉价，而且允许换能器仅仅以很小的测量误差来工作。

该任务通过权利要求1中所给出的特征来解决。本发明的改进在从属权利要求中描述。根据本发明，在控制由数字组件构成的超声波换能器时，优选地借助于一个谐振电路，最好是LC振荡回路形式的谐振电路，不仅能够对进行控制的正弦信号进行滤波，而且还能实现对直流电压的抑制。

在本发明中，特别具有优点的是从控制信号中滤除高次谐波，并且通过并联振荡回路线圈来抑制换能器上的直流电压分量。此外可以改善传输路径的效率，因为在计算LC元件时可以对至换能器的传导电缆的电容以及换能器本身的电容加以考虑。由于LC元件的滤波作用，也可以显著提高接收信号的信噪比和品质因数。

另外，本发明还涉及——以及要求保护——一种用于根据传播时间原理的超声波流量测量计中的信号处理的装置。本发明的这种实施方案的特点在于，为了控制超声波换能器装置而设置了一个网络。所述超声波换能器装置包括第一个第一超声波换能器和一个第二超声波换能器。此外还设置了开关装置，借助于这些开关装置使得所述第一和第二超声波换能器能够以选择方式切换到发送操作状态或接收操作状态，并且所述网络具有一个电振荡回路，它在相应的超声波换能器的发送操作状态及接收操作状态下用作频率滤波器。除此之外，上述实施方案还确保了在相应超声波换能器的接收操作状态下，由该超声波换能器生成的电信号被放大。

本发明一方面能够在很大程度上抑制由数字组件产生的、作为控制信号的数字矩形信号中的不希望的高次谐波分量，从而避免了在水中产生不希望的声波组成分量。此外，超声波换能器不仅能够在发送模式下工作，还能在接收模式下工作，其中对超声波信号的方向判别取决于两个超声波换能器支路短接的顺序。其中所述网络用于在相关超声波换能器的发送操作状态下通过网络中包含的振荡回路来实现频带选择或带宽选择，同时保证了在比较器上出现的电压比具有简单组件的超声波换能器的电压要高。

符合目的的是，为了实现振荡回路的转换，为每个超声波换能器分配了一个C元件，此外设置了一个共用的L元件，使得各个C元件和所述L元件分别根据切换状态构成振荡回路。一种这样的电路同样用电路技术中很简单的装置来实现。

符合目的的是，所述开关装置直接对应于每个超声波换能器。

使所述网络通过一个T形电路与信号导线和比较器的一个输入端相连接，其中所述T形电路的垂直支路的延长部分具有L元件，而所述T形电路的相应的横向走向的部分具有相应的C元件、所述开关、以及相应的超声波换能器，从而确保了有效降低损耗。根据开关位置，相应的C元件从而与激活的超声波换能器一起构成了一个串联或并联电路。所述L元件加上多个电容构成了一个振荡回路。

为了进行优化，即为了对前面描述的装置进行补偿，所述网络附带地具有另一个与L元件并联的C元件。从而在设计T形电路中的C元件的大小时得到了更高的自由度。

符合目的的是，所述网络被如此设计：使得它通过信号导线与所述网络的控制信号的基波形成谐振，以实现最佳的选择效果。

根据本发明的另一个实施方式，为了控制比较器，在所述比较器的输入端处施加了一个对称电压，其中输入电压的总幅值与所述网络上的输入电压相比增大或者倍增。

具体地说，上述装置具有一个由附加的C元件和L元件构成的串联电路。其中这个串联电路与C元件和L元件(T形电路中垂直支路的延长部分)并联连接。所述比较器的第二个输入端通过所述串联电路得到控制。所述串联电路一方面通过阻抗变换进行电压放大，另一方面可以改变至比较器的导线范围内电压的符号。

所述网络最好是一个无源网络，在超声波换能器的发送操作或接收操作方面具有互易性。

本发明最后还涉及一种根据传播时间原理的超声波流量测量计，具有一定测量距离、用于发送和接收超声波信号的装置、以及用于对接收到的超声波信号进行进一步信号处理的装置。

经过所述测量距离到达换能器的超声波信号被转换成电压信号。由于换能器的工作电压对于信号的进一步分析来说过低，因此所述电压信号被增大，并被送至进一步的信号分析。为了提高电压，通常采用具有不同缺点的集成半导体元件。它们一方面具有可能对测量结果造成不利影响的非线性特性，另一方面在增大要分析的电压信号的同时还会增大噪声。此外，这种类型的半导体元件比较昂贵。另外半导体元件还始终和较高的耗电相关。

本发明的目的还在于提供一种超声波流量测量计，它能够提供品质因数改善了的电压信号用于分析，同时能够降低其制造成本。

在所述类型的超声波流量测量计中上述任务这样来解决：设置了一个振荡回路作为用于对接收到的超声波信号进行进一步信号分析的装置，该振荡回路与一个比较器或运算放大器相连接。本发明的构思在于，选择一个与所述振荡回路固有的谐振频率有关的频率范围，仅仅对该频率范围进行放大。从而提高了与有效信号相对应的频率范围，而抑制了没有与有效信号相对应的频率范围，例如噪声。只有由此选出的有效信号频率分量才被送去放大。这样，与现有技术相比显著提高了被送去做进一步信号分析的电压信号的品质因数，同时实现了电路技术上的措施以确保该振荡回路与目前所使用的半导体组件相比具有较低的成本。

为了实现本发明，最好可以采用LC(电感、电容的组合)或者RLC(电阻、电感、电容的组合)电路，它们根据电路构成了串联回路、并联回路或者PI滤波器。输出信号可以通过有利的方式从电感的两端分接出来。这里出现了由于谐振而增大了的输出电压，此外通过这种方式保证了在两个比较器输入端施加了相同的直流偏压。

在电感处的电压增大、由驱动电压源或输出负载而造成阻抗负荷、以及噪声带限制方面，所有这三种电路均具有其独特的特性。此外，在所有这三种电路中，不仅考虑到了实际使用的电阻，还考虑到了电感和电容的损耗电阻。

所有这些电路也有共同之处，即谐振频率通过对电感和电容的取值和配置、以及在较小的程度上还通过所有的实阻抗来确定，并有意地设定。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的符合目的的实施例。如图所示：

图1  本发明的第一个实施例，其中与超声波换能器相连的谐振电路被设计为并联振荡回路，

图2  作为串联振荡回路的谐振电路的另一个实施例，

图3  选择性地将设计为并联振荡回路的谐振电路分别接入到多个超声波换能器中的一个上的例子，

图4  本发明的另一个实施例，其中为了控制超声波换能器装置设置了一个网络，

图5  本发明的根据图4所示的实施例的一种改进，其中在比较器的控制范围内设置了一个附带的由C元件及L元件构成的串联电路，

图6  根据本发明实现电压升高的串联振荡回路的一种方案，

图7  根据本发明实现电压升高的串联振荡回路的另一种方案，

图8  根据本发明实现电压升高的并联回路的一种方案，以及

图9  根据本发明实现电压升高的PI滤波器的方案。

具体实施方式

根据图1，一个放大器2在其输出端将一个控制信号通过串接电阻4传送到一个超声波换能器6，并且与该超声波换能器并联地设置有一个由电感8和电容10组成的LC并联振荡回路形式的谐振电路。这个振荡回路从经由串接电阻4所传送的信号中滤出与其谐振频率相对应的正弦振荡，然后将其作为控制信号传送给超声波换能器6，而正弦信号的高次谐波被导出，使其远离换能器6。形成电感8的线圈的较小的欧姆电阻实际上对于换能器6上的控制信号的直流电压分量来说表现为短路，使得换能器像所希望的那样仅施加有交流电压信号。

在根据图2的实施例中，谐振电路被设计为串联LC振荡回路，其电感8仍然与超声波换能器6并联，而电容10以及串接电阻4位于控制信号的导线内。这种串联振荡回路也从控制信号滤出用于控制超声波换能器6的所需正弦信号，而不希望有的高次谐波得到抑制。

根据图3的实施例示出了借助一个转换开关32为多个超声波换能器6a、6b多次利用同一个振荡回路8、10的可能性。根据其位置，振荡回路8、10切换到换能器6a或者换能器6b。通过这种方式，可以省去一个线圈和一个电容器，同时改善了这两个换能器之间的隔离性。此外还改善了这两个换能器之间的对称性，因为它们都使用了相同的振荡回路。

当放大器2具有足够高的输出阻抗时，串接电阻4在某些情况下也可以省去。

图4以简化的示意图示出了用于信号处理的装置，其中设置了一个用附图标记25来表示的无源网络，它通过一个T形电路23来控制一个超声波换能器装置。信号线26通过电阻22连接到所述网络25。通过所述信号线26从一个(未示出的)信号发生器最好传送一个数字矩形信号。

网络25与信号线26相连，并且在其两条支路上以对称方式分别包括一个C元件16或17。每个C元件16、17与一个换能器12、13相连接。上述两条电路支路中的每条支路分别包括一个短接线，用于通过位于其中的开关14、15来跨接相应的换能器12、13。在T形网络10中，元件16、换能器12以及开关14所在的电路支路与C元件17、换能器13以及开关15所在的电路支路并联连接。

在T形电路23的垂直支路的延长部分中，还有另外一个C元件19以及一个L元件18，它们在网络25内部同样并联连接。

图4所示装置的设计使得每个超声波换能器12或13既可以在发送操作状态下工作也可以在接收操作状态下工作。通过以下方式对超声波信号的传播方向加以影响：在两个超声波换能器中的一个换能器12或13处于发送阶段时，通过操作相应的开关14或15来实现短接。

超声波换能器的图示是简化了的表示。超声波换能器12、13还包括其他的无源部件，这些部件在根据图4的简化示意图中出于清楚的原因而没有给出。

图4中的整个网络，包括换能器12和13的阻抗，被如此设定：使得网络10始终以在信号线26上传播的数字矩形控制信号的基波进行谐振。由此在很大程度上抑制了矩形信号的高次谐波分量，得到了正弦波形的信号，并从而避免了在水中产生不希望的声波。

在从发送阶段向接收阶段的转换过程中，所述短接从要接收信号的超声波换能器变换到与之相对的要发送信号的超声波换能器。并且在该阶段，由于图4所示装置的特别设计，整个网络25对于进入的超声波信号产生谐振。

机械超声波信号首先在接收信号的超声波换能器中被转换成电压，用该电压为网络25馈电。这个电信号通过整个网络25的谐振变换放大后被送至T形电路23的分接点24，并进而被送至比较器11的一个输入端。比较器11的另一个输入端连接到一个参考电位。网络25的输出信号在这种情况下是非对称的模式。

根据网络10的哪条支路被短接，相应被激活的超声波换能器12或13，包括其相应的C元件16或17，与网络10的包含C元件19、L元件18、以及另外的C元件16或17的被短接的支路并联连接。

图5所示的实施例与图4所示的实施例相比更进一步，其中比较器11的第二个输入端通过一个与T形电路23并联连接、由一个C元件20和一个L元件21组成的串联电路来控制。这里的网络25，包括第一个超声波换能器12的阻抗、第二个超声波换能器13的阻抗、以及由C元件20和L元件21组成的串联电路的阻抗，也这样来确定：使得网络25始终以数字矩形控制信号的基波进行谐振。

C元件20和L元件21组成的串联电路并没有调谐到超声波频率上，而是根据设定形成了与网络25的L元件18和C元件19并联、并构成网络10的共用横向支路的电感和电容。在这种配置中，由C元件20和L元件21组成的串联电路一方面具有通过阻抗变换使电压放大的特性，另外还具有能够改变比较器11的输出端处电压符号的特性。

通过相应设定C元件20和L元件21的大小，可以在比较器11的两个输入端之间产生一个用于控制比较器11的对称电压，同时不需要有源放大、即只利用无源器件就能使比较器11的输入电压的总幅值倍增。

在图4和5所示的两种电路结构中，网络25不仅在接收模式下而且在发送模式下构成了一个频率滤波器，即带通滤波器，它被调谐到超声波频率上。从而可以滤除外部的噪声和干扰影响。同时通过采用T形电路23和网络25的对称设置，保证了系统的互易性。

图6示出了一个串联振荡回路1。这里比较器的直流输入端电位是地电位，所述串联回路由电阻3(R1)、C元件2(C1)和L元件4(L1)以及在图1中未示出的驱动电压源的内阻Ri组成。L元件4上的电压升高作为w0·L1/Rges的商而得到。缩略标记w0是回路的谐振频率乘以2·PI，Rges是R1+Ri+Rv的和，其中Rv表示C1和L1的损耗电阻，它被变换为与R1串联的一个电阻。

图7与图6中的电路原理相同，具有以下特性：这里比较器输入端的直流电位可选择为与地电位无关。这里两个C元件(C2a和C2b)组成的串联电路决定了频率。

关于噪声抑制，图6和图7所示的电路不是具有带通特性，而是具有高通特性，因为在谐振频率之上，比较器的正输入端始终强烈耦合到驱动电压源上，而负输入端实际上接地。这种电路在谐振频率以上不具有远离选择特性，并作为噪声带宽具有对高通的积分。

图8示出了一种并联回路，它通过两个C元件2c和2d成为一个谐振变换器。比较器5上的直流输入端电位像L元件4(L3)那样也处于地电位。输出端也是连接到L元件4(L3)的连接端。未示出的驱动电压源与其内阻Ri通过电阻3(R3)连接到2c和2d的连接点。

这里也可以对所有损耗电阻加以考虑。符合目的的是，这些损耗电阻被转换为与L3并联的等效电阻Rp。在已知内阻Ri和已知Rp、C元件2c与2d的关系时，通过确定电阻3(R3)的大小，这里可以进行在宽范围内可调的谐振电压变换。这里增大的电压相应出现在L元件4(L3)处。该并联电路最后可以用一个电流发生器来馈电。则L元件4(L3)处的电压是馈电电流乘上谐振电阻的乘积。在馈入电流的情况下，省去了R3，并且2c由2d简化为单一的C元件功能。

对于噪声抑制，并联电路要胜过串联电路，因为其中通过由L3和2c/2d组成的并联电路构成了一个真正的带通滤波器，其谐振频率最大，即形成了复回路阻抗。这里噪声带宽由构成复回路阻抗的积分而得出。所述并联电路从而在谐振频率之上和之下进行远离选择，进而得到小得多的噪声带宽。

图9最后示出了PI滤波器。这里电路被如此设计：即使用的驱动电压源的直流电位与比较器5的直流输入端电位相同，所述驱动电压源通过电阻3(R4)与L元件4(L4)和C元件2(2e)相连。这里输出端相应地与L4的连接端相连。

这种PI电路具有特别有用的特性。连接点L4/2e处的增大了的电压与连接点L4/2f处的电压反相。理论上，现在两个比较器输入端在调节其适当的直流电位时可以使用比较器的完全允许的输入端摆动，其中通过很大的总体电压上升还产生了附带的噪声降低效果。但是C元件2(2e和2f)处的两个电压也可以有目的地设定为不同的幅值，这里2e与2f之间的关系是起决定性作用的。谐振电压变换可以和图8中的电路等效地进行设定。

对于噪声抑制，这里给出了和图8中的并联电路相同的特性。

为了精确地分析和确定所有可能的电路，符合目的的是，应用复杂的四极理论。从而能够穷尽描述所有的因素，如频率特性、相位特性、匹配阻抗以及所有组件的电压变化，并能够利用所希望的设定。

应注意到，上面描述的发明组合在表述上由本申请的公开内容所包括。

附图标记列表

2  放大器

4  串接电阻

6  超声波换能器

8  电感

10 电容

32 转换开关

1  串联振荡回路

2  C元件

3  串联电阻

4  L元件

5  比较器

6  PI滤波器

11 比较器

12 超声波换能器

13 超声波换能器

14 开关

15 开关

16 C元件

17 C元件

18 L元件

19 C元件

20 C元件

21 L元件

22 电阻

23 T形电路

24 分接点

25 网络

26 信号线

Claims (23)

1.一种用于控制流量测量设备中的超声波换能器的装置，其中超声波换能器施加有正弦信号，其特征在于，

所述超声波换能器(6)与一个调谐到正弦信号频率上的谐振电路(8，10)相连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振电路(8，10)由LC振荡回路构成，所述超声波换能器(6)与所述振荡回路的电感(8)并联连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述振荡回路被设计为并联振荡回路(8，10)，所述超声波换能器(6)与该并联振荡回路并联。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述振荡回路被设计为串联振荡回路(8，10)，所述超声波换能器(6)与该串联振荡回路的电感(8)并联，并且该串联振荡回路的电容(10)位于至控制电路(2)的导线内。

5.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在至控制电路(2)的导线内设置一个串接电阻(4)。

6.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，有多个独立控制的超声波换能器(6a，6b)，它们可以通过一个转换开关(12)有选择地与同一个振荡回路(8，10)相连接。

7.用于根据传播时间原理、尤其是根据以上权利要求1-6中任一项的超声波流量测量计中的信号处理的装置，其特征在于，

为控制一个换能器装置而设置了一个网络(25)，所述换能器装置包括一个第一换能器(12)和一个第二换能器(13)，

设置了开关装置(14，15)，借助于所述开关装置可以将所述第一和第二换能器(12，13)有选择地切换到发送操作状态或接收操作状态，并且

所述网络(25)具有一个电振荡回路，该振荡回路在相应超声波换能器(12或13)的发送操作状态下以及接收操作状态下作为频率滤波器来工作。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述网络(25)中，为每个超声波换能器(12，13)分配了一个C元件(16或17)，此外还设置了一个L元件(18)，所述L元件和所述C元件(16或17)一起根据开关状态构成了一个振荡回路。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，为每个超声波换能器(12，13)分配了一个自身的开关装置(14或15)。

10.如权利要求7-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述网络(25)通过一个T形电路(23)与信号线(26)和比较器(11)的一个输入端相连接，所述T形电路(23)的垂直支路的延长部分具有所述L元件(18)，而所述T形电路(23)的相应横向走向的部分具有所述C元件(16或17)、开关(14或15)以及相应的超声波换能器(12或13)。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，除了网络(25)之外还设置了另外一个与L元件(18)并联连接的C元件(19)。

12.如权利要求7-11中任一项所述的装置，其特征在于，所述网络(25)被如此设计：使得该网络以来自信号线(26)的网络(25)的控制信号的基波进行谐振。

13.权利要求7-12中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被如此设定：使得为了控制比较器(11)，将一个对称电压施加到比较器(11)的输入端，并与网络(25)处的输入电压相比增大了比较器(11)的输入端电压的总幅值，最好是使电压倍增。

14.权利要求7-12中任一项所述的装置，其特征在于，设置了由一个附加的C元件(20)和一个附加的L元件(21)组成的串联电路，所述的串联电路与C元件(19)和L元件(18)并联连接，并且通过所述串联电路来控制比较器(11)的第二个输入端。

15.用于根据传播时间原理的超声波流量测量计，具有一定的测量距离、用于发送和接收超声波信号的装置、以及特别是如以上权利要求1-14中所述的用于对接收到的超声波信号进行进一步信号处理的装置，其特征在于，

设置了一个振荡回路作为所述用于对接收到的超声波信号进行进一步信号处理的装置，并且该振荡回路与一个比较器(5)相连接。

16.如权利要求15所述的超声波流量测量计，其特征在于，所述振荡回路是一个串联振荡回路(1)。

17.如权利要求15或16所述的超声波流量测量计，其特征在于，所述振荡回路是一个并联回路。

18.如以上权利要求中任一项所述的超声波流量测量计，其特征在于，所述振荡回路由一个PI滤波器来实现。

19.如以上权利要求中任一项所述的超声波流量测量计，其特征在于，所述振荡回路由一个LC或RLC电路来实现。

20.如权利要求19所述的超声波流量测量计，其特征在于，在L元件(4)的一端施加工作电压。

21.如以上权利要求中任一项所述的超声波流量测量计，其特征在于，在L元件(4)的一端施加直流偏压电位。

22.如以上权利要求中任一项中所述的超声波流量测量计，其特征在于，借助于电路分析和/或组件的设定可改变所述振荡回路的谐振频率。

23.如权利要求22所述的超声波流量测量计，其特征在于，为了改变所述振荡回路的谐振频率，可接入另外的C元件。

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