DE10048959C2

DE10048959C2 - Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser

Info

Publication number: DE10048959C2
Application number: DE10048959A
Authority: DE
Inventors: Lars Jespersen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: US6584861B1; ATA15602000A; SE0003458D0; CN1293351A; SE0003458L; UA66838C2; CN1188668C; DE10048959A1; PL342588A1; PL201628B1; RO121292B1; SE523152C2; AT410596B; DK199901477A; RU2200938C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Sende- und Empfangsschal tung für Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

In solchen Schaltungen ist es bekannt, daß die Messung der sehr kleinen Zeitunterschiede zwischen der Übertra gung von Ultraschall mit bzw. gegen die Strömungsrich tung ein sehr hohes Maß an Symmetrie in den elektroni schen Schaltungen erfordert, die zum Senden und Empfan gen von Ultraschallsignalen durch die Meßwertwandler verwendet werden, so daß die Gruppenlaufzeit für Signa le in der Elektronikschaltung selbst für Mit- bzw. Ge genstrom-Signalübertragungen gleich wird. Es ist auch bekannt, daß die Impedanzen, die jeden Meßwertwandler belasten, von der Sendesituation bis zur Empfangssitua tion konstant bleiben müssen, um die Umkehrbarkeitsbe dingung für den Sensor zu erfüllen. Dadurch wird er reicht, daß bei stillstehendem Medium die Mit- und Ge genstrom-Übertragungszeiten des Sensors gleich sind.

Dieses Problem wird in WO 94/17371 A1 behandelt, die die Anwendung zweier identischer Übertragungs- und Emp fangsschaltungen betrifft, wobei für jeden Meßwertwand ler eine Übertragungs- und Empfangsschaltung vorhanden ist, die einen Verstärker mit einer ersten Eingangs klemme zur Verbindung mit einem Ultraschall-Meßwert wandler, eine zweite Eingangsklemme zur Verbindung mit einer Signalquelle, eine Ausgangsklemme zur Verbindung mit einer Detektionsschaltung und eine Rückschaltungs verbindung zwischen der Ausgangsklemme und der ersten Eingangsklemme aufweist. Jede Schaltung ist imstande, als Sendeschaltung oder als Empfangsschaltung zu arbei ten, und ihre Funktion wird mit Hilfe einer Umschaltan ordnung oder durch Schalten beider Schaltungen zwischen Sende- und Empfangsfunktion zum Erreichen der Ausstrah lung von Ultraschallsignalen in beiden Richtungen umge schaltet. Abweichungen, die auf Komponententoleranzen zurückzuführen sind, verschiedene Temperaturkoeffizien ten und dergleichen zwischen zwei solchen Schaltungen können aber immer noch sowohl feste als auch tempera turabhängige Gruppenlaufzeitunterschiede der Signale in den Elektronikschaltungen ergeben.

WO 95/04 258 A1 zeigt einen weiteren Durchflußmesser, der mit dem Ultraschall-Prinzip arbeitet. Der Ultra schall-Durchflußmesser weist zwei Meßwertwandler zur Übertragung und zum Empfang von Ultraschallsignalen in entgegengesetzte Richtungen über Meßstrecken auf. Eine Signalquelle zur gesteuerten Erzeugung von elektrischen Signalen, die an die Ultraschall-Meßwertwandler über tragen werden, und Detektierungsmittel zur Herleitung von Übertragungszeitmessungen zur Berechnung des zu messenden Durchflusses sind vorgesehen. Die Sende- und Empfangsschaltung umfaßt zwei Verstärker, von denen jeder einen ersten invertierenden Eingang zur Verbindung mit dem jeweiligen Ultraschall-Meßwertwandler und einen zweiten nicht invertierenden Eingang zur Verbindung mit der Signalquelle aufweist. Eine Ausgangsklemme der Ver stärker ist über einen Umschalter mit den Detektie rungsmitteln verbunden. Die beiden Verstärker weisen jeweils eine Rückkopplung auf. Mit diesem Durchflußmes ser mißt man die Laufzeiten des Ultraschalls über zwei unterschiedlich lange Meßstrecken. Aus den Laufzeitun terschieden kann man auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in den Meßstrecken schließen.

DE 198 10 798 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Auswertung für Ultraschall-Volumenstrom meßgeräte mit zwei Ultraschall-Meßwertwandlern, die zur Übertragung und zum Empfang von Ultraschallsignalen in entgegengesetzte Richtungen über eine Meßstrecke ange bracht sind. Eine Signalquelle zur gesteuerten Erzeu gung von elektrischen Signalen, die an die Ultraschall- Meßwertwandler übertragen werden, und Detektierungsmit tel zur Herleitung von Übertragungszeitmessungen zur Berechnung des zu messenden Durchflusses sind vorgese hen. In dieser Schaltungsanordnung wird eine möglichst genaue Reziprozität der beiden abwechselnd als Sender und Empfänger betriebenen Ultraschall-Wandler erreicht, indem in der Steuer- und Auswerteschaltung eine einzige Sendestufe verwendet wird.

EP 0 498 141 A1 beschreibt eine Betriebsschaltung für Ultraschall-Volumendurchflußmeßgeräte mit zwei Ultra schall-Meßwertwandlern, die Ultraschallsignale übertra gen und empfangen können und zwar in entgegengesetzten Richtungen über eine Meßstrecke. Eine Signalquelle er zeugt gesteuert elektrische Signale, die an die Ultra schall-Meßwertwandler übertragen werden. Ferner sind Auswertemittel vorgesehen, um Übertragungszeiten herzu leiten, die zur Berechnung des zu messenden Durchflus ses verwendet werden. Die genaue Reziprozität der Ul traschall-Wandler wird dadurch erreicht, daß in der Verbindung zwischen dem als Sender arbeitenden Ultra schallwandler und dem ihn speisenden Generator keine der Umschaltung dienenden Schaltstrecken angeordnet sind. Die Weiterleitung der vom als Empfänger arbeiten den Ultraschallwandler aus dem Fluid aufgenommenen Lei stung soll möglichst verlustlos erfolgen, so daß jedem Ultraschallwandler dieselbe Gesamtimpedanz zugeordnet werden kann. Es werden jedoch zwei Spannungsverstär ker/Endstufen eingesetzt, was einer Reziprozität entge gensteht.

Auf der Grundlage dieses Standes der Technik ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Sende- und Empfangs schaltung für Ultraschall-Durchflußmesser der eingangs genannten Art anzugeben, die die Probleme der Abwei chungen zwischen zwei solchen Schaltungen aufgrund von Komponententoleranzen, verschiedenen Temperaturkoeffi zienten und dergleichen löst und gleichzeitig die ver wendete Schaltung vereinfacht.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Schaltung der ein gangs genannten Art gelöst, die auch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale auf weist.

Mit dieser Ausgestaltung wird die Zweiwege-Übertragung von Ultraschallsignalen mit nur einer einzelnen Sende- und Empfangsschaltung der angegebenen Art erreicht, in dem die Umschaltmittel abwechselnd einen der Ultra schall-Meßwertwandler funktionsmäßig mit der ersten Eingangsklemme verbinden. Komponententoleranzen, ver schiedene Temperaturkoeffizienten und dergleichen sind bei der angegebenen Ausgestaltung zur Übertragung von Ultraschall in den beiden entgegengesetzten Richtungen gleich, so daß die Gruppenlaufzeit in der Elektronik schaltung selbst für die Übertragung von Ultraschall in den beiden entgegengesetzten Richtungen gleich ist. Dies gilt sowohl für feste als auch für variable Grup penlaufzeitunterschiede, wobei die festen vorwiegend auf Komponententoleranzen und die variablen auf tempe raturabhängige Parameter zurückzuführen sind. Wenn der feste Gruppenlaufzeitunterschied auf Null reduziert wird, wird erreicht, daß die Nullpunktkalibrierung oder -eichung entfallen kann, wobei Fehlermöglichkeiten ent fernt und Zeit gespart wird. Der temperaturabhängige Gruppenlaufzeitunterschied muß aus Rücksicht auf z. B. Behördenzulassungen innerhalb festgesetzter Grenzen ge halten werden. Beim Senden von Ultraschallsignalen in einer ersten Richtung ist die Schaltung mit Hilfe der Umschaltmittel mit dem ersten Ultraschall-Meßwert wandler verbunden, während ein Signal zum Meßwertwand ler übertragen und in ein Ultraschallsignal umgewandelt wird. Danach wird die Schaltung zur Verbindung mit dem zweiten Ultraschall-Meßwertwandler zum Empfang des Si gnals umgeschaltet, das dann erzeugt wird, wenn der zweite Meßwertwandler das Ultraschallsignal, das vom ersten Meßwertwandler kommt, empfängt. Beim Senden des Ultraschallsignals in umgekehrter Richtung wird die Schaltung zuerst mit dem zweiten Meßwertwandler zur Übertragung und nachfolgend mit dem ersten Meßwertwand ler zum Empfang verbunden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei verschiedene Plazie rungen der Ultraschall-Meßwertwandler und Umschaltmit tel in den Ansprüchen 2 bis 5, bevorzugte Frequenzbe reiche der Ultraschall-Meßwertwandler im Anspruch 6 und die Möglichkeit der Anwendung von mehr als zwei Ultra schall-Meßwertwandlern im Anspruch 7 angegeben sind.

Im folgenden, detaillierten Teil dieser Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ei ner Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall- Durchflußmesser nach der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erklärt. Hierin zeigen:

Fig. 1 skizzenmäßig eine Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflußmesser nach der Er findung, wobei beide Ultraschall-Meßwert wandler eine mit einem Referenzpotential ver bundene erste Klemme und eine mit der ersten Eingangsklemme des Verstärkers über ein Um schaltmittel verbundene zweite Klemme aufwei sen,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform nach der Erfin dung, wobei zwei Ultraschall-Meßwertwandler in Reihe mit Umschaltmitteln parallel mit der Rückschaltungsverbindung am Verstärker ge schaltet sind,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform, hauptsächlich der Fig. 2 entsprechend, wobei die Umschaltmittel parallel mit jedem der Meßwertwandler zwecks Kurzschluß des nicht angewandten Meßwertwand lers angebracht sind und die Meßwertwandler in Reihe zwischen der Ausgangsklemme und der er sten Eingangsklemme des Verstärkers geschaltet sind,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform, hauptsächlich der Fig. 1 entsprechend, wobei die Umschaltmittel parallel mit jedem der Meßwertwandler zwecks Kurzschluß des nicht verwendeten Meßwertwand lers und die Meßwertwandler in Reihe zwischen einem Referenzpotential und der ersten Ein gangsklemme des Verstärkers angebracht sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Sende- und Empfangsschaltung um faßt 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 Umschaltmittel S1, S2 erzeugt wird. Die zweite, nicht invertierende Eingangsklemme ist mit einer Signalquelle (nur in Fig. 1 gezeigt) verbunden, die in gesteuerter Weise elektrische Signale zur Über tragung an den Ultraschall-Meßwertwandlern TR1, TR2 er zeugt. Eine Rückschaltungsverbindung besteht zwischen der Ausgangsklemme und der invertierenden Eingangsklem me über eine Impedanz Z2. Die Ausgangsklemme am Ver stärker 1 ist auch verbunden mit Detektierungsmitteln (nicht gezeigt) zur Ableitung von Übertragungszeitmes sungen, die zur Berechnung des gemessenen Durchflusses angewandt werden, den man zu messen wünscht.

Die gezeigte Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Wenn von dem Meßwertwandler TR1 zu dem Meßwertwandler TR2 gesendet wird, ist das Umschaltmittel S1 geschlos sen, und die Signalquelle versorgt die Schaltung mit einem passenden elektrischen Signal, das über den Ver stärker 1, die Impedanzen Z1 und Z2 sowie das Umschalt mittel S1 auf den Meßwertwandler TR1 übertragen wird. Eine passende Zeit nach der Abgabe eines Ultraschallsi gnals von dem Meßwertwandler TR1, bevor dies den Meß wertwandler TR2 erreicht, wird das Umschaltmittel S1 unterbrochen und das Umschaltmittel S2 zum Empfang des Signals über den Meßwertwandler TR2 geschlossen. Das von dem Meßwertwandler TR2 empfangene Signal wird über das Umschaltmittel S2 und die Impedanzen Z1, Z2 zum Verstärker 1 übertragen, zur Abgabe am Ausgang des Ver stärkers 1 an die Detektierungsmittel. Wenn vom Meß wertwandler TR2 zum Meßwertwandler TR1 gesendet wird, ist das Umschaltmittel S2 geschlossen, und eine passen de Zeit nach Abgabe des Ultraschallsignals, bevor dies den Meßwertwandler TR1 erreicht, wird das Umschaltmit tel S2 unterbrochen und das Umschaltmittel S1 zum Emp fang des Ultraschallsignals über den Meßwertwandler TR1 geschlossen. Daraus ersieht man, daß die Stellung der Umschaltmittel S1 und S2 immer die gleiche ist, unab hängig davon, ob von einem gegebenen Meßwertwandler TR1, TR2 gesendet oder empfangen wird, wobei der Meß wertwandler TR1, TR2 jederzeit an eine konstante Impe danz angeschlossen ist, die hauptsächlich der Impedanz der geschlossenen Umschaltmitteln S1 oder S2 und der Impedanz Z1 entspricht.

Gruppenlaufzeitunterschiede in den Verstärkern werden eliminiert, indem für beide Meßwertwandler das gleiche Verstärkerelement verwendet wird, und ferner werden auch Gruppenlaufzeitunterschiede in den Umschaltmitteln S1, S2 eliminiert, indem beide Umschaltmittel S1, S2 Teil des Signalweges sind, unabhängig von der Übertra gungsrichtung.

Ein Vorteil der gezeigten Schaltung ist der, daß der virtuelle Massepunkt am invertierenden Eingang des Ver stärkers 1 bei einem idealen Verstärker eine Impedanz von 0 Ohm hat, unabhängig davon, ob der eingeschaltete Meßwertwandler TR1, TR2 sendet oder empfängt, was be deutet, daß der Meßwertwandler TR1, TR2 eine konstante Impedanz sieht, die Z1 plus der Impedanz des dazugehö rigen Umschalters S1 oder S2 entspricht. Bei nicht idealen Verstärkern hat die Impedanz im tatsächlichen Massepunkt einen endlichen Wert, der von der "open lo op"-Ausgangsimpedanz des Verstärkers, den Impedanzen Z1, Z2, der Meßwertwandlerimpedanz und der "open loop"- Verstärkung des Verstärkers 1 in dem Frequenzbereich, in dem der Meßwertwandler TR1, TR2 arbeitet, abhängt. Die Belastung der Meßwertwandler TR1, TR2 ist üblicher weise verschieden. Die Umkehrbarkeit wird aber beibe halten, weil die Belastung von Sende- zu Empfangssitua tion konstant ist. Der übliche Meßwertwandler-Frequenz bereich liegt zwischen etwa 40 KHz und einigen 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 TR1, TR2 vom Referenzpotential getrennt sein müssen. Die Funktion der in Fig. 2 gezeigten Aus führungsform entspricht genau der in Fig. 1 gezeigten, indem die Forderungen an den Umschaltmitteln S1, S2 für die beiden Schaltungen gleich sind, und zwar ein mode rater Widerstand bei geschlossenem Umschaltmittel S1, S2 und eine große Dämpfung bei unterbrochenem Umschalt mittel S1, S2. Die übrigen, in Fig. 3 und 4 gezeigten, Alternativen sind in der Praxis schwer zu realisieren, weil diese erfordern, daß der Widerstand der Umschalt mittel S1, S2 in geschlossenem Zustand wesentlich nied riger ist als die Meßwertwandlerimpedanzen, um Über sprechen zu vermeiden. Da die Meßwertwandlerimpedanzen typisch im Bereich unter einigen Hundert Ohm liegen, kann dies ein Problem sein, das man durch die Einfüh rung von Reihenwiderständen in jedem Meßwertwandler zweig zu lösen versucht.

Auch wenn die Meßwertwandler TR1, TR2 in den Figuren als reine Meßwertwandlerkristalle gezeigt sind, ist selbstverständlich vorauszusetzen, daß diese passive Reihen- und Parallelimpedanzen und eventuelle Signal transformatoren zur galvanischen Trennung enthalten. Die Schaltungen sind außerdem ausschließlich mit zwei Meßwertwandlern TR1, TR2 gezeigt. In der Praxis können aber von 2 bis N Meßwertwandler vorhanden sein, um mehrspurige Meßrohre zu berücksichtigen.

Claims

1. Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall- Durchflußmesser, mit

a) mindestens zwei Ultraschall-Meßwertwandlern, die zur Übertragung und zum Empfang von Ultra schallsignalen in entgegengesetzten Richtungen über eine Meßstrecke angebracht sind,
b) einer Signalquelle zur gesteuerten Erzeugung von elektrischen Signalen, die an den Ultra schall-Meßwertwandlern übertragen werden, und
c) Detektierungsmitteln zur Herleitung von Über tragungszeitmessungen zur Berechnung des zu messenden Durchflusses,

wobei die Sende- und Empfangsschaltung einen Ver stärker umfaßt, mit

a) einer ersten invertierenden Eingangsklemme zur Verbindung mit einem Ultraschall-Meßwertwand ler,
b) einer zweiten nicht invertierenden Eingangs klemme zur Verbindung mit der Signalquelle,
c) einer Ausgangsklemme zur Verbindung mit den De tektierungsmitteln,
d) einer Rückschaltungsverbindung zwischen der Ausgangsklemme und der ersten Eingangsklemme,

gekennzeichnet dadurch, daß

a) die Sende- und Empfangsschaltung Umschaltmittel (S1, S2) aufweist, die abwechselnd einen der Ultraschall-Meßwertwandler (TR1, TR2) mit der ersten Eingangsklemme funktionsmäßig verbinden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionsmäßig verbundene Meßwertwandler (TR1, TR2) zwischen die erste Eingangsklemme am Verstärker (1) und ein Referenzpotential geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionsmäßig verbundene Meßwertwandler (TR1, TR2) zwischen die erste Eingangsklemme am Verstärker (1) und die Ausgangsklemme des Verstär kers (1) geschaltet ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßwertwandler (TR1, TR2) mit einem Umschaltmittel (S1, S2) in Reihe geschal tet ist, wobei diese in Reihe geschalteten Meßwert wandler und Umschaltmittel (TR1, S1; TR2, S2) par allelgeschaltet sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßwertwandler (TR1, TR2) mit einem Umschaltmittel (S1, S2) paral lelgeschaltet ist, wobei diese parallelgeschalteten Meßwertwandler und Umschaltmittel (TR1, S1; TR2, S2) in Reihe geschaltet sind.

6. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallfrequenz zwi schen 500 KHz und 2 MHz angewandt wird.

7. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßrohr mit N Meßwertwand lern angewandt wird, wobei N ≧ 2.