DE3633306A1 - Schaltungsanordnung fuer ultraschall-durchflussmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Phasendifferenz- oder dem Lambda-Locked-Loop-Prinzip, wobei der Ultraschall- Durchflußmesser mit einem Paar von eine schräg zur Strö­ mungsrichtung einer Flüssigkeit durch ein Meßrohr verlau­ fenden Meßstrecke definierenden an der Wandung des Meßrohrs angebrachten Interdigitalwandlern mit einer sog. Finger­ struktur, nämlich einem jeweils sendenden und einem jeweils empfangenden Interdigitalwandler, gebildet ist, wobei dem sendenden Interdigitalwandler zu dessen Anregung alternie­ rend mittels einer von einem spannungsgeregelten Generator versorgten Phasenumkehreinrichtung elektrische Impulse über eine erste bzw. eine zweite Gruppe von Elektroden zugeführt wird und wobei ein Phasendetektor vorgesehen ist, dem über einen ersten Eingang das Ausgangssignal des Generators als Referenzsignal sowie über einen zweiten Eingang ein Emp­ fangssignal von dem empfangenden Interdigitalwandler zuge­ führt wird und der über einen Ausgang ein Regelsignal an den Generator abgibt.

Schaltungsanordnungen für Ultraschall-Durchflußmesser der eingangs genannten Art, die nach dem Phasendifferenz- oder dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren arbeiten, sind bereits bekannt. Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen weisen die an den elektrischen Anschlüssen von Sende- und Emp­ fangswandler auftretenden Signale in beiden Schallrichtungen im allgemeinen auch dann Laufzeit- bzw. Phasenunterschiede auf, wenn die Flüssigkeit nicht fließt (v=0). Obwohl diese Unterschiede sehr klein sind, verschlechtern sie als sog. "Nullflußfehler" die Genauigkeit von Ultraschall-Durchfluß­ messern im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten. Ur­ sache hierfür sind Unterschiede in den Wandlern, die sich bei unterschiedlichen elektrischen Abschlüssen verschieden auswirken.

Wie bereits in einer anderen bekannten Schaltungsanordnung vorgeschlagen, läßt sich dieser Fehler beseitigen, indem die beiden Wandler beim Senden und beim Empfangen mit der glei­ chen Impedanz, im Grenzfall mit Z=0, abgeschlossen werden. Dies bedeutet beim Senden Spannungseinprägungen am Wandler und daß phasendrehende Bauelemente, z. B. zur besseren An­ passung, zwischen Senderausgang und Wandler vermieden werden müssen. An die derzeit zusammen mit den Interdigitalwandlern verwendeten Phasenumkehreinrichtungen (vergl. Fig. 1) werden daher hohe Anforderungen gestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die Meßgenauigkeit gegenüber bekannten Schaltungs­ anordnungen dieser Art mit einfachen schaltungstechnischen Maßnahmen verbessert werden kann und eine größere Frei­ zügigkeit bei der Dimensionierung der elektrischen und aku­ stischen Anordnung erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs vorgeschlagen, die durch die in dem kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Figuren, die den Stand der Technik bzw. bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele für die vorliegende Erfindung betreffen, im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Sendeschaltung für einen Ultraschall-Durchflußmesser in einer be­ kannten Anordnung.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegen­ den Erfindung zur Referenzsignalgewinnung mit einem Differenzverstärker.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegen­ den Erfindung zur Referenzsignalgewinnung mit einem Differenzverstärker und mit Hilfselektroden des Sendewandlers.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegen­ den Erfindung zur Referenzsignalgewinnung über einen Eintaktverstärker bzw. mit einem direkten Zugang zu dem Phasendetektor.

Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsan­ ordnung, bei der jeder von abwechselnd sendenden und empfangenden Interdigitalwandlern mit einem eigenen Referenzsignalverstärker versehen ist.

Fig. 6 zeigt eine der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 entsprechende Schaltungsanordnung, jedoch mit nur einem Referenzsignalverstärker für beide Interdi­ gitalwandler.

Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsan­ ordnung mit je einem Verstärker pro Interdigital­ wandler, der zeitlich nacheinander zur Referenz­ signalerfassung und als Empfangsvorverstärker be­ nutzt wird.

Fig. 8 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als Differenz­ verstärker mit variabler Eingangsimpedanz benutzten Verstärkers.

Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Abschalten des betreffenden Signaltransformators für den betreffenden Interdigitalwandler.

Fig. 10 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von Hilfs­ elektroden auf einem weiteren Interdigitalwandler.

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es mindestens äquivalent ist, anstelle der festen Vorgabe des Sendesignals direkt am Wandler ein der Wandlerauslenkung entsprechendes elektrisches Signals aufzunehmen und dieses als Referenz für das Empfangssignal auszuwerten.

Dies kann nach vorliegender Erfindung während des Sendens durch Aufnahme des Spannungsverlaufs direkt an den Wandler­ elektroden (vergl. Fig. 2) oder durch Messung des Span­ nungsverlaufs an dafür vorgesehenen Hilfselektroden durch­ geführt werden; vergl. Fig. 3. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, als Bauelemente zwischen dem elektrischen Sender und dem Wandler beliebige geeignete Bauelemente anzuordnen, ohne daß dies einen Einfluß auf die gemessene Signallaufzeit hätte.

Zur Referenzsignalerfassung durch Messung der Spannung di­ rekt am Sendewandler gibt es zwei Möglichkeiten:

• a) Die Spannung zwischen den beiden Fingerstrukturen des Interdigitalwandlers IDW wird mittels eines als Referenzsi­ gnalverstärker RV dienenden Differenzverstärkers gemessen (Fig. 2) oder
• b) es wird die auf die gemeinsame Masseelektrode bezogene Spannung an einer der beiden Fingerstrukturen des Interdi­ gitalwandlers IDW mit einem als Referenzsignalverstärker RV dienenden Eintaktverstärker erfaßt (Fig. 4) oder direkt dem Phasendetektor PhD zugeführt, (in Fig. 4 mit gestrichelter Linie als direkte Verbindung unter Fortfall des Referenzsi­ gnalverstärkers angedeutet). In diesem Fall ist es zweck­ mäßig, durch die angeschlossene Spule Sp eines Transforma­ tors, durch Gestaltung des Wandlers oder durch andere Mittel dafür zu sorgen, daß die Phasendifferenz zwischen den Span­ nungen der beiden Fingerstrukturen bezüglich der gemeinsamen Gegenelektrode genau 180° beträgt.

Beim Ultraschall-Strömungsmessungs-Verfahren werden die Wandler nacheinander in alternierender Folge als Sende- und Empfangswandler benutzt. Bei Einbeziehung der Richtungsum­ schaltung ergeben sich folgende Möglichkeiten für die er­ findungsgemäße Referenzphasenerfassung:

• a) Je ein Verstärker zur Referenzphasenerfassung liegt an jedem Wandler. Der Referenzeingang des Phasendetektors wird auf den Ausgang des Verstärkers umgeschaltet, der am gerade sendenden Wandler liegt (Fig. 5).
• b) Ein einziger Referenzspannungsverstärker oder der Refe­ renzspannungseingang des Phasendetektors selbst wird auf den jeweils sendenden Wandler aufgeschaltet (Fig. 6).
• c) An jedem Wandler liegt ein Verstärker. Dieser wird wäh­ rend des Sendens zur Referenzphasenerfassung, während des Empfanges als Empfangsvorverstärker benutzt. Die Ausgänge beider Verstärker werden an je einen Eingang des Phasende­ tektors angeschlossen. Mit der Richtungsumschaltung werden die Rollen von Referenzsignaleingang und Empfangssignalein­ gang fortlaufend vertauscht. Das daraus resultierende Al­ ternieren des Vorzeichens beim Ausgangssignal des Phasende­ tektors kann durch eine schaltbare Inverterstufe korrigiert werden (Fig. 7).

Die Eingangsimpedanz des zur Referenzsignalerfassung ver­ wendeten Verstärkers wird zweckmäßigerweise so hoch sein, daß der Anteil der vom Verstärker aufgenommenen Sendelei­ stung den Wirkungsgrad der Ultraschallerzeugung nicht nen­ nenswert verschlechtert. Nach einem Vorschlag hierzu sollte die Eingangsimpedanz des Empfangsvorverstärkers möglichst niedrig sein. Bei der Verwendung eines Verstärkers zeitlich nacheinander als Empfangsvorverstärker und zur Referenzsi­ gnalerfassung kann es nützlich sein, die Eingangsimpedanz der jeweiligen Verwendung entsprechend umzuschalten. Dies könnte über die Steuerung des Summenstroms einer Differenz­ verstärkeranordnung nach Fig. 8 erfolgen. Desweiteren kann es wichtig sein, während des Empfanges die Spule des Trans­ formators abzuschalten, da sie sonst bei Eingangsimpedanzen, die von Null verschieden sind, stört.

Fig. 9 zeigt eine Möglichkeit zur Abschaltung der Spule des Transformators bei Empfangsbetrieb mit Hilfe von antiparal­ lel geschalteten Dioden.

Für die Gestaltung der Hilfselektroden gibt es beim Inter­ digitalwandler verschiedene Möglichkeiten:

• a) die Hilfselektroden sind die Elektroden eines weiteren Interdigitalwandlers, der mit dem zum Senden verwendeten Interdigitalwandler "sandwichartig" zusammengebaut ist (Fig. 10). Speziell könnte der Sendewandler aus Piezokeramik be­ stehen, der weitere Interdigitalwandler aus einem Piezo- Polymer (PVDF) enthält;
• b) ein Teil der Finger der Fingerstruktur bildet die Hilfs­ elektroden (Fig. 3);
• c) die einzelnen Elektrodenfinger sind aufgeteilt in Elek­ troden zur Anregung und als Hilfselektroden;
• d) ein Teil der Wandlerfläche wird von den Hilfselektroden bedeckt;
• e) auf einem Teil der Wandlerfläche sind die "positiven", auf einem anderen Teil die "negativen" Finger-Hilfselektro­ den angeordnet.

Der an die Hilfselektroden angeschlossene Verstärker kann als einfacher Verstärker oder als Differenzverstärker aus­ geführt sein. Desweiteren kann auch der Empfangsverstärker an die Hilfselektroden angeschlossen sein, und entsprechend sind auch die vorstehend beschriebenen Sende- und Empfangs­ verstärkervarianten in Kombination mit den verschiedenen Möglichkeiten zur Hilfselektrodengestaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung auszuführen.

Schließlich ist es auch möglich, auf konventionellen Wand­ lern Hilfselektroden anzuordnen und diese entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Signalen zu beaufschlagen.

Claims (18)

1. Schaltungsanordnung für Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Phasendifferenz- oder dem Lambda-Locked-Loop-Prinzip, wobei der Ultraschall-Durchflußmesser mit einem Paar von eine schräg zur Strömungsrichtung einer Flüssigkeit durch ein Meßrohr verlaufenden Meßstrecke definierenden an der Wandung des Meßrohrs angebrachten Interdigitalwandlern mit einer sog. Fingerstruktur, nämlich einem jeweils sendenden und einem jeweils empfangenden Interdigitalwandler, gebildet ist, wobei dem sendenden Interdigitalwandler zu dessen Er­ regung alternierend mittels einer von einem spannungsgere­ gelten Generator versorgten Phasenumkehreinrichtung elek­ trische Impulse über eine erste bzw. eine zweite Gruppe von Elektroden zugeführt wird und wobei ein Phasendetektor vor­ gesehen ist, dem über einen ersten Eingang das Ausgangssi­ gnal des Generators als ein Referenzsignal sowie über einen zweiten Eingang ein Empfangssignal von dem empfangenden Interdigitalwandler zugeführt wird und der über einen Aus­ gang ein Regelsignal an den Generator abgibt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle einer festen Vorgabe des Sendesignals direkt an dem als Sendewandler fungierenden Interdigitalwandler (IDW) ein der Wandlerauslenkung ent­ sprechendes elektrisches Signal aufgenommen wird und dieses elektrische Signal als Referenzgröße in Form eines Refe­ renzsignals (R) für das Empfangssignal (E) durch den Refe­ renzsignalverstärker (RV) aufgenommen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Empfangssignalauswertung während des Sendens durch Aufnahme des Spannungsverlaufs direkt an den Wandlerelektroden durchgeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Empfangssignalauswertung während des Sendens durch Messen des Spannungsverlaufs an dafür an dem Interdigitalwandler vorgesehenen Hilfselektro­ den durchgeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zwischen den beiden Fin­ gerstrukturen des Interdigitalwandlers (IDW) auftretende Spannung mittels eines als der Referenzsignalverstärker (RV) fungierenden Differenzverstärkers gemessen wird (Fig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine auf eine gemeinsame Mas­ seelektrode des Interdigitalwandlers (IDW) bezogene Spannung an einer der beiden Fingerstrukturen desselben mittels eines als der Referenzsignalverstärker (RV) fungierenden Eintakt­ verstärkers gemessen wird (Fig. 4).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine auf eine gemeinsame Mas­ seelektrode des Interdigitalwandlers (IDW) bezogene Spannung an einer der beiden Fingerstrukturen desselben direkt dem Phasendetektor (PhD) über dessen Eingang für das Referenz­ signal (R) zugeführt wird (Fig. 4).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die an den Interdigitalwandler (IDW) angeschlossene Spule (Sp) eines Signaltransformators und/oder der Interdigitalwandler (IDW) selbst und/oder zu­ sätzliche Schaltungselemente derart ausgelegt sind, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden Spannungen an den beiden Fingerstrukturen bezüglich der gemeinsamen Gegenelektrode, nämlich der Masseelektrode, genau 180° beträgt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Verstärker zur Referenzphasenerfassung für jeden der Inter­ digitalwandler (IDW) vorgesehen ist und daß der Eingang des Phasendetektors (PhD) für das Referenzsignal (R) auf den Ausgang desjenigen der Verstärker mittels einer Umschalt­ einrichtung umgeschaltet wird, der dem gerade sendenden Interdigitalwandler (IDW) zugeordnet ist (Fig. 5).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Referenzspannungsverstärker oder der Referenzspannungsein­ gang des Phasendetektors (PhD) selbst auf den jeweils sen­ denden Interdigitalwandler (IDW) geschaltet wird (Fig. 6).

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden der Interdigitalwandler (IDW) ein Verstärker geschaltet ist, daß dieser Verstärker während des Sendens zur Referenzphasener­ fassung und während des Empfangens als Empfangsvorverstärker benutzt wird, daß die Ausgänge der beiden Verstärker an je einen Eingang des Phasendetektors (PhD) angeschlossen sind und daß mit der Umschaltung der Sende/Empfangsrichtung die Rollen von Referenzsignaleingang und Empfangssignaleingang fortlaufend vertauscht werden (Fig. 7).

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das sich daraus ergebende Alternieren des Vorzeichens des Ausgangssignals des Phasen­ detektors (PhD) mittels einer schaltbaren Inverterstufe korrigiert wird.

12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Emp­ fangsbetrieb eines der Interdigitalwandler dessen ihm zuge­ ordnete Spule des betreffenden Signaltransformators mittels antiparallel angeordneter Dioden abgeschaltet wird (Fig. 9).

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hilfselektroden Elektroden eines weiteren Interdigitalwandlers sind, der mit dem zum Senden verwendeten Interdigitalwandler "sandwichartig" zu­ sammengebaut ist (Fig. 10).

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sendewandler aus einem Piezokeramikmaterial und der weitere Interdigitalwandler aus einem Piezo-Polymer (PVDF) besteht.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teil der Finger der Fin­ gerstruktur die Hilfselektroden bildet (Fig. 3).

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrodenfinger der Fin­ gerstruktur in Elektroden zur Anregung und solche aufgeteilt sind, die als Hilfselektroden dienen.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hilfselektroden einen Teil der Wandlerfläche bedecken.

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf einem Teil der Wandler­ fläche "positive" und auf einem anderen Teil der Wandler­ fläche "negative" Finger-Hilfselektroden angeordnet sind.