DE10048959C2 - Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-Durchflussmesser - Google Patents
Sende- und Empfangsschaltung für Ultraschall-DurchflussmesserInfo
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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.
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 (7)
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,
- 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,
- 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.
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