DE19810798A1

DE19810798A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung und Auswertung für Ultraschall-Volumenstrommeßgeräte

Info

Publication number: DE19810798A1
Application number: DE19810798A
Authority: DE
Inventors: Alexander Von Dr Jena; Peter Wurll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1998-09-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Auswertung einer Ultraschallmeßeinheit mit einer Meß strecke, in der alternierend Signale stromaufwärts und strom abwärts gerichtet abstrahlt, reflektiert und empfangen wer den. Der Volumenstrom wird nach dem Laufzeitprinzip berech net. Es werden dabei meist zwei Ultraschallwandler abwech selnd als Sender bzw. Empfänger betrieben.

Für die Durchflußmessung mit Ultraschall ist es notwendig, die Laufzeiten von Ultraschallimpulsen in einem Meßrohr bei stromabwärts und stromaufwärts gerichteter Abstrahlung zu messen. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen müssen die Lauf zeitmessungen für beide Meßrichtungen sequentiell aufeinander folgen. Durch Umschalten der Meßrichtung sollen die beiden stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Ultraschallwand ler alternierend als Sender und Empfänger wirken. Dieses Vor gehen setzt voraus, daß die mechanischen Bewegungen der je weiligen Sendewandler vollständig abgeklungen sind, bevor ei ne neue Messung in entgegengesetzter Richtung erfolgt. Stö rende Interferenzen beim Empfang des entlang der Meßstrecke übertragenen Schallsignales müssen wirksam unterdrückt wer den. Meßverfahren mit simultanem Ablauf der Sende-/Empfangs vorgänge scheiden aufgrund des durch die Laufzeit festgeleg ten und somit im allgemeinen zu kurzen Zeitintervalles für das Sendeabklingen aus.

Weiterhin ist eine möglichst hohe Übersprechdämpfung zwischen den Sende-/Empfangsleitungen erwünscht. Hierdurch wird die nachteilige mechanische Anregung des auf Empfang geschalteten Wandlers beim Sendevorgang verhindert. Zugleich kann eine di rekte Interferenz zwischen Restanteilen des abgeklungenen Sendesignales mit dem Empfangssignal vermieden werden. Die genannten Interferenzstörungen müssen insgesamt möglichst ge ring gehalten werden, da sich sonst individuelle, auch durch paarweise Vorselektion nur unvollständig ausgleichbare Eigen schaften der Ultraschallwandler in Form von Nullpunktabwei chungen und Kennlinienverzerrungen negativ auswirken. Die in Auswerteschaltungen eingesetzten Abschlußwiderstände am Sen de- und Empfangswandler sollten für beide Meßrichtungen gleich sein. Eine somit erreichbare Reziprozität bei der Richtungsvertauschung bewirkt eine relativ hohe, von indivi duellen Wandlereigenschaften nicht mehr beeinflußte Null punktstabilität bei der Auswertung von Laufzeitdifferenzen.

Im Stand der Technik sind bei der Ultraschalldurchflußmessung mit der Vertauschung der Meßrichtungen Zielsetzungen bezüg lich eines minimalen Sendeübersprechens und reziprozitätskon former Impedanz bisher wenig behandelt worden. Bei Umschalt vorrichtungen werden Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit auf grund der alternierenden Sende- bzw. Empfangspfade nur wenig betrachtet und die Umschaltvorrichtungen sind nicht opti miert. Häufig ist erkennbar, daß durch einen kleinen Sendewi derstand und einen großen Empfangswiderstand ein möglichst großes Übertragungsmaß erzielt werden soll. Dies verletzt je doch erfahrungsgemäß die Reziprozität (Gegen-, Wechselseitig keit, Wechselbeziehung). Die Folgen sind Nullpunktsfehler, da durch Kennfeldkorrekturen nur unzureichende Einstellmöglich keiten vorhanden sind.

In der europäischen Patentschrift EP 0 498 141 B1 wird bei spielsweise Bezug genommen auf die Übersprech- und Reziprozi tätseinflüsse. Dazu werden verschiedene Versionen von Be triebsschaltungen für die Ultraschall-Volumenstrommessung be schrieben. Als besonderes Merkmal ist dabei die Verwendung von zwei DC-gekoppelten Sendeverstärkern anzusehen, die bei der Richtungsvertauschung jeweils alternierend ein Wechsel spannungssignal liefern oder für eine Masseschaltung sorgen. Insbesondere wird in der Verbindung zwischen dem als Sender arbeitenden Ultraschallwandler und dem ihn speisenden Genera tor keine der Umschaltung dienende Schaltstrecke angeordnet und die Weiterleitung der vom als Empfänger arbeitenden Ul traschallwandler aus dem Fluid aufgenommenen Leistung an die Auswerteelektronik wird möglichst verlustlos betrieben. Da durch wird es ermöglicht, daß jedem Ultraschallwandler in seinen beiden Betriebszuständen (Empfänger/Sender) dieselbe Gesamtimpedanz zugeordnet ist. Es werden jedoch zwei Span nungsverstärker/Endstufen eingesetzt, was einer hohen Rezi prozität entgegen steht.

Die in der Literatur beschriebene Version einer Primärelek tronik für die Ultraschalldurchflußmessung kann prinzipiell die Anforderungen der Reziprozität erfüllen. Sie unterschei det sich jedoch in der Festlegung der Abschlußimpedanzen bei der Richtungsvertauschung und in der geringeren Übersprech dämpfung beim Einsatz gängiger CMOS-Chips (Schalter). In die sem Zusammenhang ist folgende Literaturstelle zu nennen: A. v. Jena, V. Mágori: High Resolution Ultrasonic Flow Meter for Measuring Human Respiration, Proc. Sensor '95, Nürnberg 1995, pp. 91-96.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übersprech- und Reziprozitätseinflüsse bei der Steuerung und Auswertung von Ultraschall-Volumenstrommeßgeräten weiter zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der Ver wendung einer einzigen Sendeendstufe wesentliche Vorteile er zielbar sind. Darüber hinaus wird die Wirkungsweise von elek tronischen Schaltern ausgenutzt. In der erfindungsgemäßen Primärelektronik werden die Signalpfade für Senden und Emp fangen lediglich über Ein/Aus-Zustände von Schaltern festge legt. Die von der Sendeendstufe erzeugten Sendesignale, die spektral von der charakteristischen Wandlerbreite begrenzt werden, sind wechselweise über Reihenschaltungen aus Schalter und identischen Abschlußwiderständen mit den Ultraschallwand lern verbunden.

Die effektive Abschlußimpedanz ergibt sich aus der Reihen schaltung der Widerstände der Sendeendstufe (typischer Wert < 3 Ω), des Durchlaßwiderstandes der jeweiligen Schalter (typischerweise für CMOS-Technologie ca. 20 Ω) und für den Abschlußwiderstand (typischer Wert 100 Ω bis 1 kΩ). Für eine möglichst gute Übereinstimmung der Schaltwiderstände und da mit der Abschlußimpedanzen werden beide Schalter in ein und demselben integrierten Schaltkreis untergebracht.

Sendeschalter und Kurzschlußschalter werden jeweils komple mentär zueinander betätigt. Dies bedeutet, daß bei geöffnetem Sendeschalter, d. h. Empfangsbetrieb für den zugehörigen Wand ler, durch Streukapazitäten eingekoppelte Sendesignalanteile weitestgehend kurzgeschlossen werden. Zudem wird der auf Emp fang geschaltete Wandler über eine Reihenschaltung aus Ab schlußwiderstand und Schalterwiderstand nach Masse geschal tet. Für den Fall, daß die Kurzschlußschalter in ein und dem selben integrierten Schaltkreis wie die Sendeschalter unter gebracht sind, ergibt sich beim Senden und Empfangen nahezu dieselbe Abschlußimpedanz.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer reziproken Primärelektro nik für die Ultraschalldurchflußmessung,

Fig. 2 zeigt eine Variante entsprechend Fig. 1, in der die Empfangsschalter in T-Konfiguration ausgebildet sind,

Fig. 3 zeigt einen vereinzelten Sendeweg,

Fig. 4 zeigt einen vereinzelten Empfangsweg.

Ein typisches erfindungsgemäßes Merkmal der in der Schal tungsanordnung vorliegenden Primärelektronik ist die für bei de Meßrichtungen vollkommen identische Betriebsweise des Sen degenerators 3 bzw. der Sendeendstufe 7. Die Stromaufwärts/ Stromabwärts-Umschaltung wird allein über die passiv wirken den Schalter, wie Sendeschalter 11, 21, Kurzschlußschalter 12, 22, Empfangsschalter 13, 23 realisiert. Für eine hohe Re ziprozität ist es sinnvoll, daß die Ausgangsimpedanz der Sen deendstufe 7 klein ist gegenüber den Impedanzen der Schalter und der Abschlußwiderstände. Das "Ein-Sender"-Prinzip stellt eine wichtige Voraussetzung für einen zeitstabilen Betrieb der Meßvorrichtung dar. Dies gilt insbesondere unter dem Aspekt möglicher Temperatureinflüsse und Alterungserscheinun gen. Zur Empfangsdetektion wird der jeweils von der Sendeend stufe 7 abgetrennte und über einen Abschlußwiderstand 14, 24 nach Masse geschaltete Ultraschallwandler 1, 2 mit einem Emp fangsschalter 13, 23 an den Eingang des Vorverstärkers 4 ge legt. Die Forderungen der Reziprozität sind dabei bereits er füllt, wenn die Eingangsimpedanz groß ist gegenüber allen an deren wirksamen Widerständen des entsprechenden Pfades. Dabei kann der Resteinfluß der Ausgangsimpedanz der Sendeendstufe 7 und der Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 4 mit den in Se rie zu den Kurzschlußschaltern 12, 22 einfügbaren Kompensati onsnetzwerken 15, 25 optimal ausgeglichen werden. Für maxima le Übersprechdämpfung zwischen Sende- und Empfangsweg können die Empfangsschalter 13, 23 in der bekannten T-Konfiguration aus jeweils drei Einzelschaltern aufgebaut werden, wie es der Fig. 2 zu entnehmen ist.

In der Fig. 1 wird eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Steuerung und Auswertung für Ultraschall- Volumenstrommeßgeräte dargestellt. Dabei sind einseitig geer dete Ultraschallwandler 1, 2, verbunden mit einerseits einem Sendepfad und andererseits einem Empfangspfad. Der Sendepfad besteht jeweils aus einem Sendeschalter 11, 21 und einem Ab schlußwiderstand 14, 24, wobei ein Sendeschalter 11, 21 zeit weise auf den Ausgang einer einzigen Sendeendstufe 7 gelegt wird und der Abschlußwiderstand 14, 24 entsprechend mit einem Ultraschallwandler 1, 2 verbunden ist. Der Empfangspfad be steht aus einem direkt mit dem jeweiligen Ultraschallwandler 1, 2 verbundenen Empfangsschalter 13, 23, der seinerseits mit dem Vorverstärker 4 verbunden ist. Zum Senden ist ein einzi ger Sendegenerator 3 vorhanden, dessen Ausgangssignal an die einzige Sendeendstufe 7 übermittelt wird und zum Empfang ist eine Auswerte- und Steuerelektronik 5 vorgesehen, die dem einzigen Vorverstärker 4 nachgeschaltet ist und die sämtliche Schalter und Sende- bzw. Empfangsvorgänge steuert, sowie die empfangenen Signale entsprechend auswertet.

Durch die Auswerte- und Steuerelektronik 5 werden über An steuerleitungen 31, 32, 33 jeweils die Sende- bzw. Empfangs pfade gesteuert. Dabei wird beispielsweise entsprechend Fig. 1 der Ultraschallwandler 1 als Empfänger geschaltet, wo bei der Sendeschalter 11 offen ist, der Empfangsschalter 13 geschlossen ist und der Kurzschlußschalter 12 ebenfalls ge schlossen ist. Gleichzeitig sind der Sendeschalter 21 ge schlossen, der Kurzschlußschalter 22 geöffnet und der Emp fangsschalter 23 geöffnet, so daß der Ultraschallwandler 2 als Sender benutzt wird. In diesem Zustand sendet der Sende generator 3 über die Sendendstufe 7 ein Signal zu dem Ultra schallwandler 2, der entsprechend seiner Abstrahlcharakteri stik ein Ultraschallsignal in den zu messenden Volumenstrom abgibt. Dieses Signal wird über den Ultraschallwandler 1, der als Empfänger geschaltet ist, detektiert und über den Emp fangsschalter 13 der Auswerte- und Steuerelektronik 5 zuge führt.

Um die entsprechenden Schalter komplementär zu bedienen, wer den durch die Auswerte- und Steuerelektronik 5 die Sende schalter 11, 21 alternierend geöffnet und geschlossen, wobei gleichzeitig alternierend die Kurzschlußschalter 12, 22 und die Empfangsschalter 13, 23 geschlossen und geöffnet werden. Somit wird in dem Zustand, daß ein Sendeschalter in einem Sendepfad geschlossen ist, beim entsprechend anderen Ultra schallwandler der Empfangspfad über den jeweiligen Empfangs schalter geschlossen, wobei gleichzeitig restliche Sende signalanteile, die durch Streukapazitäten eingekoppelt worden sind, zwischen entsprechendem Sendeschalter und Abschlußwi derstand bei einem momentan als Empfänger geschalteten Ultra schallwandler über einen entsprechenden Kurzschlußschalter gegen Masse abgeleitet werden.

Ein optimaler Ausgleich eines Resteinflusses der Ausgangsim pedanz des Sendegenerators 3 bzw. der Sendeendstufe 7 bzw. der Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 4 kann mit den in Se rie zu den Kurzschlußschaltern 12, 22 geschalteten Kompensa tionsnetzwerken 15, 25 erzielt werden, die ihrerseits dann an Masse liegen.

Die Auswerte- und Steuerelektronik 5 steuert den Sendevorgang und mißt entsprechend den Beginn des Sendevorganges (Start) und das Ende des Empfangsvorganges. Aus der entsprechenden Laufzeit wird das Ergebnis 6 abgeleitet. Mit der Richtung wird durch die Auswerte- und Steuerelektronik 5 jeweils die Wahl der Sende- bzw. Empfangsrichtung festgelegt.

In der Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 dargestellt, die anstelle eines einzigen Empfangs schalters 13, 23 eine Mehrzahl, nämlich drei Schalter in der bekannten T-Konfiguration aufweist. Für eine maximale Über sprechdämpfung zwischen Sende- und Empfangsweg können diese Empfangsschalter 13, 23 in vorteilhafter Weise aus den ent sprechenden drei Schaltern aufgebaut sein. Dabei sind jeweils Kurzschlußschalter 16, 26 vorgesehen, die ansteuerbar und an Masse schaltbar sind. Die Schalter einer T-Konfiguration wer den über die Ansteuerleitungen 31, 32 und 33 geschaltet. So mit werden genauso wie für die Schaltungsanordnung entspre chend Fig. 1 die gleichen alternierenden Vorgänge gewährlei stet und ein parasitäres Übersprechen vom Sendeweg V7-S21- R24-US2 zum "abgeschalteten" Empfangsweg US2-S23-V4 und umge kehrt verhindert.

Sind beispielsweise die Kurzschlußschalter 12, 22 als Bipo lartransistoren ausgelegt, so ist die Schaltung derart zu di mensionieren, daß der für den Betrieb der bipolaren Transi storen notwendige Stromfluß gewährleistet ist. Die T-Konfiguration der Empfangsschalter 13, 23 ist deswegen be sonders vorteilhaft, weil zwei Schalter einer jeden T-Konfiguration nicht galvanisch mit Masse verbunden sind.

Weitere Vorteile bestehen darin, daß die elektrischen Schal ter im Sende- und Empfangszweig derart beschaltbar sind, daß auch in der Umschaltphase keine Spannungspotentialsprünge auftreten. Zudem können die elektronischen Schalter im Sende- und Empfangszweig z. B. mit Clock-Treibern, wie sie aus der synchronen Digitaltechnik zum ultraschnellen Datenaustausch in einer Pipeline-Architektur bekannt sind, zeitlich derart angesteuert werden, daß auch in der Umschaltphase keine Impe danzsprünge durch Schaltflanken-Überschneidungen bzw. -verzögerungen auftreten.

Die geforderte Reziprozität der Schaltung ist gewährleistet, wenn sie wie in den Fig. 3 bzw. 4 aufgebaut ist. Unter der Annahme, daß für den Sendeweg gilt:

Z₂₅ + Z_off,s22 » Z_iV7 + Z_on,S21

sieht der Ultraschallwandler USW2 folgenden Abschluß:

Z_ab,S = Z_i,V7 + Z_on,s21 + Z₂₄

Unter der Annahme, daß für den Empfangsweg gilt:

Z_on,s23 + Z_off,s16 × Z_e,V4/(Z_off,S16 + Z_e,V4)

sieht der Ultraschallwandler USW1 folgenden Abschluß:

Z_ab,E = Z₁₄ + Z_on,s12 + Z₁₅.

Die Reziprozität wird erfüllt, wenn

beträgt.

Dabei wird mir Z ein Widerstand bezeichnet, wobei die Indi zierung im einzelnen folgendes bedeutet:

ab	Abschluß-
on	Durchlaß-/eingeschaltet
off	offen
i	Innen/Ausgangs-
E oder e	Empfangs-
S	Sende-
V	Verstärker
Sxx	Schalter Nr. xx

Die Beschaltung des Sende- und Empfangszweiges ist so be schaffen, daß während der Umschaltphase keine Gleichspan nungspotentialsprünge auftreten, die eventuell zu Störsigna len im Sende- und/oder Empfangsweg führen können. Darüberhin aus erfolgt die Ansteuerung der elektronischen Schalter durch die Auswerte- und Steuerelektronik derart, daß im Sende- und/oder Empfangsweg keine Impedanzsprünge durch bereits ge öffnete oder noch geschlossene Schalter oder umgekehrt auf treten können.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung und Auswertung für Ul traschall-Volumenstrommeßgeräten, bestehend aus:

- zwei wechselweise als Sender- bzw. Empfänger betriebene Ultraschallwandlern (1, 2),
- einem einzigen von einer Auswerte- und Steuerelektronik (5) angesteuerten Sendegenerator (3),
- einer einzigen Sendeendstufe (7),
- Sendeschaltern (11, 21) durch die das Ausgangssignal des Sendegenerators (3) wechselweise über nachgeschaltete Abschlußwiderstände (14, 24) gleicher Impedanz den Ultraschallwandlern (1, 2) zuführbar ist,
- Empfangsschaltern (13, 23) die direkt zwischen jeweils einem Ultraschallwandler (1, 2) und einem einzigen Vorverstärker (4), dessen Ausgangssignal der Auswerte- und Steuerelektronik (5) zuführbar ist, geschaltet sind und von der Auswerte- und Steuerelektronik (5) korrespondierend zu den Sendeschaltern (11, 21) wechselweise ansteuerbar sind,
- Kurzschlußschaltern (12, 22) die jeweils zwischen den Sendeschaltern (11, 21) und den zugehörigen Abschlußwi derständen (14, 24) mit dem jeweiligen Sendepfad verbun den sind und derart durch die Auswerte- und Steuerelek tronik (5) ansteuerbar sind, daß korrespondierend zu den Sendeschaltern (11, 21) der aktuell nicht betriebene Sendepfad, über den zugehörigen Abschlußwiderstand auf Masse geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, worin die Schalter in CMOS-Technologie ausgeführt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, worin die mit dem Sendepfad verbundenen Kurzschlußschalter (12, 22) Bipolartransistoren sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, worin jeweils zwischen den Kurzschlußschaltern (12, 22) und der Masse ein Kompensationsnetzwerk (15, 25) in Serie ge schaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin jeweils beide Sendeschalter (11, 21), beide Kurzschluß schalter (12, 22) oder beide Empfangsschalter (13, 23) oder eine Kombination daraus in demselben elektronischen Bauele ment untergebracht sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Ausgangsimpedanz der Sendeendstufe (7) klein ist gegenüber der gesamten Impedanz von jeweils in Reihe geschal teten Sendeschalter (11, 21) und Abschlußwiderstand (14, 24).

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Empfangsschalter (13, 23) in T-Konfiguration aus je weils drei Einzelschaltern aufgebaut sind, die entsprechend komplementär angesteuert werden.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, worin innerhalb der T-Konfiguration der Empfangsschalter (13, 23) vorgesehene Kurzschlußschalter (16, 26) Bipolartransi storen sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Ausgangsimpedanz der Sendestufe (7) durch korrespondierende Darstellung des Kompensationsnetzwerkes (15, 25) nachgebildet wird.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Abschlußimpedanzen der Ultraschallwandler im Sende- und Empfangszweig in beiden Übertragungsrichtungen statisch und dynamisch konstant sind.