DE19613311A1 - Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige und/oder gasförmige Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige und/oder gasförmige Medien, mit einer vom Medium durchströmten Meßkammer mit Ultra­ schall-Wandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Meßkammer durchsetzen, sowie einer den Ultraschall-Wandlern zugeschalteten elektronischen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung zum Ansteuern der Ultraschall-Wandler und zum Auswerten der empfangenen Signale.

Bei im Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungsmeßgeräten sind die Ultraschall-Wandler direkt an die elektronische Ansteuer- und Auswerteeinrich­ tung angeschlossen. Diese direkte galvanische Kopplung der Wandler mit der zu­ gehörigen elektronischen Einrichtung erschwert bzw. verhindert aber nachteili­ gerweise eine erdfreie Auslegung von Kontaktausgängen der Meßgeräte. Ein derartiger erdfreier Kontakt ist aber für einige Anwendungen, beispielsweise für M-BUS-Anwendungen, erforderlich. Ferner sind die dann erforderlichen Maßnahmen hinsichtlich einer Isolation an der Wandlerseite und an den Zuleitungen aufwen­ dig. Darüber hinaus erschwert die erforderliche Isolation an den Anschlußstellen zu der nachgeschalteten Ansteuer- und Auswerteeinrichtung die Möglichkeit der Energieversorgung aus einer gemeinsamen Batterie.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Ultra­ schall-Strömungsmeßgerät hinsichtlich der genannten Nachteile zu verbessern.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät der eingangs genannten Art vorgesehen, daß jeder Ultraschall-Wandler mittels eines Übertragers von der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung entkoppelt ist.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Übertragern in den jeweiligen, den Ultraschall-Wandlern zugeordneten Schaltungszweigen zur Trennung von der nachgeschalteten elektronischen Einrichtung erreicht man mit besonderem Vorteil eine definierte und ausreichende Isolationsbarriere und eine vollständige Tren­ nung gegenüber dem Erdpotential, so daß die eingangs genannten Nachteile hinsichtlich der Bereitstellung erdfreier Kontaktanschlüsse und dem Isolationsauf­ wand vorteilhaft vermieden sind. Infolge der definierten und ausreichenden Isola­ tionsbarriere gegenüber elektrostatischen Entladungen, die durch die galvanische Trennung erzielt wird, können somit mit besonderem Vorteil die an derartige Gerä­ te gestellten Anforderungen hinsichtlich Beständigkeit gegenüber elektrostati­ schen Entladungen und elektromagnetischen Feldern problemlos erreicht werden.

Der Einsatz von Übertragern zur Potentialtrennung führt zu verbesserten Eigen­ schaften der Ultraschall-Wandler. Bei derartigen Strömungsmeßgeräten geht es um die Messung kleinster Zeitunterschiede der Laufzeit der ausgesendeten Ultra­ schall-Signale, die im Bereich von 2-10 nsec liegen, wobei die relativen Genau­ igkeiten im Bereich von 1-5%, also mit Zeitfehlern im Bereich von 20-100 psec, angesiedelt sind. Normalerweise bedeutet die Einfügung von Übertragern in einen Wechselspannungs-Signalweg eine frequenz-exemplar- und temperaturabhängi­ ge Phasenverschiebung und damit einen entsprechend großen Zeitfehler, so daß an und für sich Übertrager für einen Einsatz bei Ultraschall-Strömungsmeßgeräten überhaupt nicht geeignet wären, da die von den übertragereigenen Parameter­ schwankungen verursachten Fehler derart groß sind, daß eine genaue Zeitmes­ sung nicht möglich ist. Werden aber bei beiden Wandlern diese Übertrager ange­ ordnet, so hat es sich gezeigt, daß sich aufgrund der Reziprokizität der Übertra­ gungskennlinie in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung die Laufzeitdifferenzen beider Übertrager bei der Messung der Laufzeitdifferenzen in erster Ordnung weitestge­ hend aufheben, wobei sie sich vollständig aufheben, wenn, wie ferner erfindungs­ gemäß vorgesehen sein kann, die Übertrager in ihren physikalischen bzw. elek­ tronischen Eigenschaften im wesentlichen identisch ausgebildet sind, da in die­ sem Fall die Übertragerkennlinien annähernd identisch sind.

Zur weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit und zur Einhaltung der Rezipro­ kizitätsbedingung kann in weiterer Erfindungsausgestaltung vorgesehen sein, daß die Übertrager an der elektronischen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung mit iden­ tischen Abschlußwiderständen abgeschlossen sind.

Aus schaltungstechnischer Hinsicht hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn je eine einem Übertrager zugeordnete Brückenschaltung zur Ansteuerung des Übertragers vorgesehen ist. Die Brückenschaltung kann in weiterer Erfin­ dungsausgestaltung Mittel umfassen, mit denen die beiden Anschlüsse des Über­ tragers symmetrisch und mit zueinander invertierten Signalen ansteuerbar ist. Ei­ ne derartige symmetrische Ansteuerung ist mit besonderem Vorteil möglich, da die Wandler infolge der galvanischen Entkopplung masselos an der Ansteuerung liegen. Durch die invertierte Ansteuerung wird ein eventuell störender Gleichspan­ nungspegel verhindert, wie dies der Fall wäre, wenn lediglich ein Anschluß des Übertragers ansteuerbar wäre, der andere aber auf Masse liegen würde. In einem derartigen Fall würde die an dem Übertrageranschluß anliegende Spannung zwi­ schen 0 Volt und der Signalspannung liegen, so daß im Sendebetrieb des Wand­ lers ein arithmetischer Mittelwert von rund der halben Signalspannung an liegen würde. Dieser Gleichspannungsoffset kann aber zu Problemen bei der Meßgenau­ igkeit führen, da er im Sendebetrieb vorhanden und im Empfangsbetrieb nicht mehr vorhanden ist, wodurch das Reziprokizitätsprinzip verletzt wird, gemäß wel­ chem jeder Wandler im Sende- und Empfangsbetrieb die gleichen Bedingungen vorfinden muß. Durch die erfindungsgemäße symmetrische Ansteuerung liegt aber an beiden Übertrageranschlüssen abwechselnd 0 Volt bzw. die Signalspan­ nung an. Der arithmetische Mittelwert liegt aber in diesem Fall bei 0 Volt.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Verwendung der Brückenschaltung und der invertierten Signalansteuerung liegt ferner darin, daß an den Übertragern und somit an den Wandlern die doppelte effektive Sendespannung anliegt wie bei der asymmetrischen Ansteuerung, da sich die an den Übertrageranschlüssen anlie­ genden Spannungen voneinander subtrahieren, so daß - da an einem Übertra­ geranschluß die invertierte Spannung anliegt - effektiv die doppelte Sendespan­ nung zur Verfügung steht. Dies hat aber zum einen eine höhere Störsicherheit zur Folge, da sich der Signal-Störabstand um denselben Faktor vergrößert. Ferner ist durch die höhere Empfangsspannung die Eingangsbeschaltung wesentlich un­ komplizierter, da eine Verstärkung entfallen bzw. geringer ausgelegt werden kann. Infolge der doppelten Amplitude ist auch nur eine Batterie, in der Regel eine 3 Volt-Batterie, erforderlich, da ein genügend großes Empfangssignal ansteht.

Als in der Brückenschaltung verwendbare Ansteuermittel können gewöhnliche Verstärker oder dergleichen verwendet werden, jedoch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Mittel ein invertierendes und ein nicht-invertierendes UND-Gatter umfassen, deren erste Eingänge mit dem an den Übertrager anzulegenden Signal und deren zweite Eingänge mit einem Steuersignal belegbar sind, und de­ ren Ausgangssignal an je einen Anschluß des Übertragers anlegbar ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung der Brückenansteuerung der den Wandlern vorgeschalteten Übertrager, und

Fig. 2a-2c die Signalverläufe der Brückenansteuerung und der am jeweiligen Übertrager und damit am Wandler anstehende Spannung.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung der Brückenansteuerung. Gezeigt ist skizzenhaft eine Meßstrecke 1, der zwei Wandler 2 zugeordnet sind. Den Wandlern vorge­ schaltet ist jeweils ein Übertrager 3, der zur galvanischen Entkopplung der Wandler von der nachgeschalteten Elektronik dient, wobei die Übertrager 3 iden­ tisch sind. Den Wandlern 3 ist jeweils eine Brückenschaltung 4 vorgeschaltet. Diese besteht jeweils aus zwei UND-Gattern 5 und 6, wobei es sich beim Gatter 5 invertierendes Gatter und beim Gatter 6 um ein nicht-invertierendes Gatter han­ delt. Die Ausgänge 7 bzw. 8 der Gatter liegen jeweils an einem Anschluß des Übertragers 3 an. An den ersten Eingängen 9, 10 der Gatter 5, 6 liegt das Ultra­ schall-Signal 11 an, das dem jeweiligen Wandler 2 übertragen werden soll, sofern dieser im Sendebetrieb ist.

An den beiden anderen Eingängen 12, 13 der Gatter liegt ein Steuersignal 14 an, das zum Steuern der Gatter 5, 6 dient und mit dem abhängig davon, ob der jewei­ lige Wandler im Sende- oder Empfangsbetrieb arbeiten soll, die Signalspannung 11 durchgeschaltet wird oder nicht. Da das Signal 11 stets an den Gattereingän­ gen anliegt, erfolgt die Gatterschaltung in Abhängigkeit des Steuersignals 14. Ist dieses H, so sind die beiden UND-Gatter 5, 6 durchgeschaltet und legen das Si­ gnal einmal invertiert (U1) und einmal nicht-invertiert (U2) an den Übertrager an. In diesem Fall wird ein Signal von diesem Wandler zum gegenüberliegenden, der entsprechend im Empfangsmodus geschaltet ist, gesendet. Ist das Signal 14L, so sind die beiden Gatter gesperrt, das Ultraschall-Signal wird damit nicht durchge­ schaltet. Der jeweilige Wandler ist dann im Empfangsmodus, wohingegen der ge­ genüberliegende Wandler aber im Sendemodus arbeitet. Darüber hinaus ist aber auch ein simultanes Senden und Empfangen mit dieser Ansteuerschaltung mög­ lich, wobei in diesem Fall nur dafür gesorgt werden muß, daß im Sendebetrieb die beiden an den Brückenschaltungen anliegenden Steuersignale 14 im gleichzeiti­ gen Sendebetrieb der Wandler 2 auf H sind, und im Empfangsbetrieb der jeweili­ gen Wandler auf L liegen. Das jeweilige Empfangssignal wird an den Kontakten 15 abgegriffen.

An dem jeweiligen Übertrager selbst liegt an dem mit dem invertierenden Gatter 5 verbundenen Anschluß eine invertierte Spannung U1 an, an dem mit dem nicht­ invertierenden Gatter 6 verbundenen Anschluß dagegen eine nicht-invertierte Spannung U2, wobei die beiden Spannungen betragsmäßig gleich sind. Dies er­ gibt sich aus den Fig. 2a und 2b, in denen die Signalverläufe der jeweiligen Spannungen U1 und U2 gezeigt sind. Da die Spannungen U1 und U2 zueinander invertiert sind, und da sich die tatsächliche am Wandler an liegende Spannung U_w aus der Differenz der Spannungen U1-U2 ergibt, steht am Wandler somit die doppelte Amplitude an, wie in Fig. 2c gezeigt. Auf diese Weise ist in einfacher Realisation die doppelte effektive Sendespannung an den Übertrager 3 und damit an den jeweiligen Wandler 2 anlegbar, was zu den eingangs genannten Vorteilen hinsichtlich der Störsicherheit und der Vereinfachung der Eingangsbeschaltung bei gleichzeitiger Verwendung nur einer einzigen Batterie führt.

Claims (6)

1. Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige und/oder gasförmige Medien, mit einer vom Medium durchströmten Meßkammer mit Ultraschall-Wandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Meßkammer durchsetzen, sowie einer den Ultraschall-Wandlern zugeschal­ teten elektronischen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung zum Ansteuern der Ultraschall-Wandler und zum Auswerten der empfangenen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschall-Wander (2) mittels eines Übertragers (3) von der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung entkoppelt ist.

2 Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Übertrager (3) in ihren physikalischen bzw. elektronischen Ei­ genschaften im wesentlichen identisch ausgebildet sind.

3. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Übertrager (3) an der elektronischen Ansteuer- und Aus­ werteeinrichtung mit identischen Abschlußwiderstand abgeschlossen sind.

4. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge­ kennzeichnet durch je eine einem Übertrager (3) zugeordnete Brücken­ schaltung (4) zur Ansteuerung des Übertragers (3).

5. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der vorausgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (4) Mittel umfaßt mit denen die beiden Anschlüsse des Übertragers (3) symmetrisch und mit zueinander invertierten Signalen ansteuerbar ist.

6. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel ein invertierendes und ein nicht-invertierendes UND-Gatter (5, 6) umfassen, deren erste Eingänge (9, 10) mit dem an den Über­ trager (3) anzulegenden Signal (11) und deren zweite Eingänge (12, 13) mit einem Steuersignal (14) belegbar ist, und deren Ausgangssignal (7, 8) an je einen Anschluß des Übertragers (3) anlegbar ist.