RO121292B1

RO121292B1 - Circuit de emisie-recepţie pentru debitmetre ultrasonice

Info

Publication number: RO121292B1
Application number: ROA200000919A
Authority: RO
Inventors: Lars Jespersen
Original assignee: Danfoss A/S
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2007-02-28
Also published as: CN1293351A; PL342588A1; US6584861B1; DE10048959A1; PL201628B1; CN1188668C; DE10048959C2; DK199901477A; AT410596B; SE0003458D0; ATA15602000A; SE0003458L; SE523152C2; RU2200938C2; UA66838C2

Abstract

Invenţia se referă la un circuit de emisie-recepţie pentru debitmetre ultrasonice, care cuprinde: a) cel puţin două traductoare ultrasonice de măsură (TR1 ?i TR2) configurate pentru emisia ?i recepţia bidirecţională a semnalelor ultrasonice, pe o distanţă de măsurare; b) o sursă de semnal pentru generarea controlată a semnalelor electrice, pentru a fi emise către respectivele traductoare ultrasonice de măsură (TR1 ?i TR2); ?i c) un mijloc de detecţie (Z2) pentru derivareavalorilor măsurate ale timpilor de emisie, utilizate în calculul debitului de măsurat; circuitulde emisie-recepţie mai cuprinzând un amplificator (1) prevăzut cu: d) o primă bornă de intrare, inversoare, pentru conectarea la unul dintre traductoarele ultrasonice de măsură (TR1 ?i TR2); e) o a doua bornă de intrare, neinversoare, pentru conectarea la sursa de semnal; f) o bornă de ie?ire pentru conectarea la mijlocul de detecţie (Z2); g) o buclă de reacţie care conectează mijlocul de detecţie (Z2) între borna de ie?ire ?iprima bornă de intrare. Prin introducerea unor mijloace de comutaţie (S1 ?i S2) pentru conectarea funcţională, alternativă, a unuia dintre traductoarele ultrasonice de măsură (TR1 ?i TR2), la prima bornă de intrare, se obţine o configuraţie simplificată de circuit, având un înalt grad de insensibilitate la toleranţele componentelor?i la diferiţii coeficienţi de temperatură.

Description

Invenția se referă la un circuit de emisie-recepție pentru un debitmetre ultrasonice. în astfel de circuite, se cunoaște că măsurarea diferențelor de timp foarte mici dintre emisia dus și întors a fluxului de ultrasunete necesită un foarte înalt grad de simetrie în circuitele electronice utilizate la emisia și recepția semnalelor ultrasonice, prin intermediul traductoarelor de măsură, astfel încât timpii de propagare globală a semnalelor, în circuitele electronice propriu-zise, în ambele sensuri ale emisiei, să fie aceiași. Se cunoaște, de asemenea, că impedanțele de sarcină ale fiecărui traductor de măsură, din momentul emisiei și până în momentul recepționării, trebuie să fie constante pentru a îndeplini condiția de reversibilitate a senzorului. Prin aceasta se realizează situația în care, pentru un mediu de curgere staționară, timpii de emisie dus-întors ai senzorului sunt egali.

Această problemă este tratată în cererea de brevet WO 94/17371, care descrie utilizarea a două circuite identice, de emisie și recepție, unul pentru fiecare traductor de măsură, care cuprind un amplificator cu o primă bornă de intrare pentru conectarea la un traductor ultrasonic de măsură, o a doua bornă de intrare pentru conectarea la o sursă de semnal, o bornă de ieșire pentru conectarea la un circuit de detecție, și o conexiune în buclă de reacție, între borna de ieșire și prima bornă de intrare. Fiecare dintre circuite are capacitatea de a lucra ca un circuit de emisie sau ca un circuit de recepție, iar modul lor de funcționare este comutat cu ajutorul unui montaj de comutare sau prin comutarea ambelor circuite de la funcția de emisie, la cea de recepție, în scopul realizării unei emisii bidirecționale a semnalelor ultrasonice. Totuși, variațiile - cauzate de toleranțele componentelor, de diferiții coeficienți de temperatură sau de altele asemenea - existente între două astfel de circuite, vor putea întotdeauna să conducă la diferențe, atât fixe, cât și dependente de temperatură, ale timpilor de propagare globală a semnalelor circuitelor electronice.

Pe baza stadiului cunoscut al tehnicii, menționat, se dorește ca prin prezenta invenție să se realizeze un circuit de emisie-recepție pentru un debitmetru ultrasonic care să poată rezolva problemele legate de variațiile existente între două astfel de circuite, cauzate de toleranțele componentelor, de diferiții coeficienți de temperatură sau de altele asemenea, și în același timp să se obțină o simplificare a circuitului utilizat. Acest deziderat este realizat cu ajutorul unui circuit de tipul celui menționat, care, în conformitate cu prezenta invenție, cuprinde măsurile specificate în partea caracteristică a revendicării 1. Cu această configurație se realizează transmiterea pe două căi a unor semnale ultrasonice numai cu un singur circuit de emisiei și recepție, de tipul arătat, prin faptul că mijloacele de comutare leagă alternativ o bornă a traductorului ultrasonic de măsură, potrivit funcției, cu prima bornă de intrare. Toleranțele componentelor, diferiții coeficienți de temperatură și altele similare vorfi aceleași în cazul configurației date pentru transmiterea de ultrasunete în două sensuri opuse, astfel încât timpul de propagare a grupurilor în circuitul electronic propriu-zis pentru transmiterea de ultrasunete în cele două sensuri opuse este același. Acest lucru este valabil pentru diferențe de timp de propagare, atât fixe, cât și variabile, la care cele fixe se atribuie, în principal, toleranțelor componentelor, iar cele variabile se atribuie parametrilor dependenți de temperatură. Dacă diferența fixă a timpului de propagare a grupurilor se reduce la zero, se realizează situația că etalonarea/calibrarea la punctul de zero poate să cadă, eliminându-se posibilitățile de eroare și economisindu-se timp. Diferența de timp de propagare a grupurilor, în funcție de temperatură, trebuie să fie ținută în cadrul unor limite stabilite, luând în considerare, de exemplu, ceea ce admit autoritățile. La emisia, într-o primă direcție, a semnalelor ultrasonice, circuitul este conectat cu primul traductor ultrasonic de măsură, cu ajutorul mijloacelor de comutație, în timp ce un semnal este emis de traductorul de măsură și convertit într-un semnal ultrasonic. Apoi circuitul este comutat pentru conectarea la cel de-al doilea traductor ultrasonic de măsură, pentru recepția semnalului, care are loc/se produce

RO 121292 Β1 când cel de-al doilea traductor de măsură recepționează semnalul ultrasonic emis de primul 1 traductor de măsură. La emiterea în sens invers, a semnalului ultrasonic, circuitul este conectat mai întâi cu cel de al doilea traductor de măsură, pentru emisie, iar apoi este conectat 3 cu primul traductor de măsură, pentru recepție.

Variantele preferate de realizare, conform invenției, sunt prezentate în revendicările 5 dependente, la care diversele plasări ale traductoarelor ultrasonice de măsură și mijloacelor de comutație sunt cuprinse în revendicările 2 până la 5, domeniile preferate de frecvență ale 7 traductoarelor ultrasonice de măsură sunt cuprinse în revendicarea 6, iar posibilitatea de folosire a mai mult de două traductoare ultrasonice de măsură este prezentată în 9 revendicarea 7.

în continuare, se prezintă câteva exemple de realizare a unui circuit de11 emisie-recepție pentru un debitmetru ultrasonic, conform invenției, în legătură cu fig. 1 până la 4, care reprezintă:13

- fig. 1, schema unui circuit de emisie-recepție pentru un debitmetru ultrasonic, la care ambele traductoare ultrasonice de măsură se leagă cu o primă bornă la un potențial de15 referință și se leagă cu o a doua bornă la prima bornă de intrare a amplificatorului printr-un mijloc de comutație;17

- fig.2, a doua variantă de realizare, la care două traductoare ultrasonice de măsură puse în serie cu mijloacele de comutare, sunt legate în paralel la respectivul amplificator cu 19 un circuit de reacție;

- fig.3, a treia variantă de realizare, corespunzătoare în principal celei din fig.2, la care21 mijloacele de comutare sunt montate în paralel cu fiecare din respectivele traductoare de măsură în scopul de a scurtcircuita traductorul de măsură care nu este folosit, traductoarele 23 de măsură fiind legate în serie între borna de ieșire și prima bornă de intrare a amplificatorului; 25

- fig.4, a patra variantă de realizare corespunzătoare în principal celei din fig. 1 la care mijloacele de comutare sunt montate în paralel cu fiecare din respectivele traductoare de 27 măsură, în scopul de a scurtcircuita traductorul de măsură care nu este folosit, traductoarele de măsură fiind legate în serie între un potențial de referință, și prima bornă de intrare a 29 amplificatorului.

Circuitul de emisie-recepție, prezentat în fig. 1, cuprinde un amplificator 1, prevăzut 31 cu o primă bornă de intrare, inversoare, pentru legare cu un traductor ultrasonic de măsură TR1, TR2, la care legătura se realizează printr-o impedanță Z1 și niște mijloace de comutație 33 S1, S2. Cea de-a doua bornă de intrare, neinversoare, este pusă în legătură cu o sursă de semnal (arătată numai în fig. 1) care, la modul comandat, produce semnale electrice în vede- 35 rea transmiterii la traductoarele ultrasonice de măsură TR1, TR2. O buclă de reacție se află între borna de ieșire și borna de intrare inversoare, cu o impedanță Z2. Borna de ieșire de 37 pe amplificatorul 1 este, de asemenea, conectată cu un mijloc de detecție (nefigurat) pentru deducerea măsurătorilor de timp de tranzit, care se utilizează pentru calcularea debitului a 39 cărui măsurare se dorește, în final.

Circuitul arătat funcționează după cum urmează. Când se emite de la traductorul 41 ultrasonic de măsură TR1 către TR2, mijlocul de comutație S1 este închis, iar sursa de semnal alimentează circuitul cu un semnal electric adecvat, care, prin amplificatorul 1, impe- 43 danțele Z1 și Z2, precum și prin mijlocul de comutație S1 se transmite pe traductorul ultrasonic de măsură TR1. După un interval de timp adecvat de la emiterea unui semnal ultra- 45 sonic de către traductorul ultrasonic de măsură TR1, înainte ca acesta să ajungă la traductorul ultrasonic de măsură TR2 se întrerupe mijlocul de comutație S1, iar mijlocul de 47

RO 121292 Β1 comutație S2 se închide pentru recepția semnalului pe traductorul ultrasonic de măsură TR2. Semnalul recepționat de către traductorul ultrasonic de măsură TR2 se transmite pe amplificatorul 1 prin mijlocul de comutație S2 și impedanțele Z1, Z2, în scopul de a emite, la ieșirea amplificatorului 1, către mijloacele de detecție. Când se emite de la traductorul ultrasonic de măsură TR2 către traductorul ultrasonic de măsură TR1, este închis S2, și, după un interval de timp adecvat de la emiterea semnalului ultrasonic, înainte ca acesta să ajungă la traductorul ultrasonic de măsură TR1, se întrerupe mijlocul de comutație S2, iar mijlocul de comutație S1 se închide pentru recepția semnalului ultrasonic pe traductorul ultrasonic de măsură TR1. Prin aceasta se arată că poziția mijloacelor de comutație S1 și S2 este mereu aceeași, indiferent dacă un traductor de măsură, dat, emite sau recepționează, respectivul traductor de măsură văzând în permanență o impedantă constantă, care, în principal, corespunde impedanței mijlocului de comutație S1, S2, închis și impedanței Z1.

Diferențele timpilor de propagare globală, în amplificatoare, sunt eliminate prin faptul că se utilizează același element de amplificare pentru ambele traductoare de măsură, iar diferențele timpilor de propagare globală, în mijloacele de comutație S1 și S2, sunt de asemenea elimintate prin faptul că fiecare dintre mijloacele de comutație S1 și S2 sunt parte a căii de semnal, independent de direcția de emisie.

Un avantaj al circuitului prezentat este acela că punctul virtual de masă la intrarea inversoare a amplificatorului, de lângă un amplificator ideal, are o impedantă de 0 ohmi, indiferent de faptul că respectivul traductor de măsură cuplat emite sau recepționează, ceea ce înseamnă că traductorul de măsură vede o impedantă constantă care corespunde cu impedanța Z1, plus cea a mijlocului de comutație S1, S2 aferent. La amplificatoarele neideale, impedanța, în punctul virtual de masă, va avea o valoare definitivă, care depinde de impedanța de ieșire Ζ1, Z2, în buclă deschisă, a amplificatorului, impedanța traductorului de măsură și câștigul amplificatorului în domeniul de frecvență în care lucrează traductorul de măsură. în mod obișnuit, sarcina traductorului de măsură va fi diferită, însă reversibilitatea va fi menținută, întrucât sarcina de la stația de emisie la cea de recepție este constantă. Domeniul de frecvență al unui traductor de măsură obișnuit se află între circa 40 kHz și câțiva MHz.

Exemplele de circuite arătate în fig. 2, 3 și 4 ca și variante de realizare, prezintă, în raport cu fig. 1, dezavantajul faptului că respectivele traductoare de măsură trebuie, în mod obligatoriu, să fie separate de potențialul de referință. Variantei de realizare prezentată în fig. 2, îi corespunde aceeași funcționare cu cea a variantei din fig. 1, prin faptul că cerințele pentru mijloacele de comutație S1, S2 sunt identice pentru ambele circuite, și anume : o rezistență medie, când mijlocul de comutație este închis și o atenuare mare, când mijlocul de comutație este deschis. Celelelte variante prezentate în fig. 3 și 4, sunt dificil de realizat în practică, prin faptul că acestea necesită ca rezistența comutatoarelor, în stare închisă, să fie mult mai mică decât impedanțele traductoarelor de măsură pentru a se evita interferența (crostalk). Deoarece impedanțele traductorului de măsură iau valori într-un domeniu situat sub câteva sute de ohmi, acest fapt poate constitui o problemă care se încearcă să fie rezolvată prin introducerea de rezistențe serie, în fiecare ramură a traductorului de măsură.

Chiar dacă, în figuri, traductoarele de măsură sunt reprezentate ca și cristale de cuarț, se înțelege de la sine că acestea cuprind eventuale impedanțe pasive, în serie și în paralel, și posibile convertoare de semnal pentru separarea galvanică. în afară de acestea, circuitele sunt prezentate cu doar două traductoare de măsură, în practică putând exista, însă, de la două până la N traductoare de măsură, pentru a se ține seama de conductele de măsură cu mai multe căi de măsurare.

Claims

1. Circuit de emisie-recepție pentru debitmetre ultrasonice care cuprinde:3

a) cel puțin două traductoare ultrasonice de măsură (TR1, TR2) configurate pentru emisia și recepția bidirecțională a semnalelor ultrasonice, pe o distanță de măsurare;5

b) o sursă de semnal pentru generarea controlată a semnalelor electrice pentru a fi emise către respectivele traductoare ultrasonice de măsură (TR1, TR2); și7

c) un mijloc de detecție (Z2) pentru derivarea valorilor măsurate ale timpilor de emisie, utilizate în calculul debitului de măsurat;9 respectivul circuit de emisie-recepție cuprinzând un amplificator (1) prevăzut cu:

d) o primă bornă de intrare, inversoare, pentru conectarea la unul dintre traductoarele 11 ultrasonice de măsură (TR1, TR2);

e) o a doua bornă de intrare, neinversoare, pentru conectarea la sursa de semnal; 13

f) o bornă de ieșire pentru conectarea la mijlocul de detecție (Z2);

g) o buclă de reacție care conectează mijlocul de detecție (Z2) între borna de ieșire 15 și prima bornă de intrare;

caracterizat prin aceea că mai cuprinde:17

h) mijloace de comutație (S1, S2) pentru conectarea funcțională a unuia dintre traductoarele ultrasonice de măsură (TR1, TR2) la prima bornă de intrare;19

2. Circuit conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că respectivul traductor ultrasonic de măsură (TR1, TR2), conectat în mod funcțional, este conectat între prima bornă21 de intrare, a amplificatorului (1), și un potențial de referință.

3. Circuit conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că respectivul traductor 23 ultrasonic de măsură (TR1, TR2), conectat în mod funcțional, este conectat între prima bornă de intrare a amplificatorului (1) și borna de ieșire a amplificatorului (1).25

4. Circuit conform uneia din revendicările de la 1 la 3, caracterizat prin aceea că fiecare traductor ultrasonic de măsură (TR1, TR2) este conectat în serie cu unul din 27 mijloacele de comutare (S1, S2), și prin aceea că respectivele traductoare ultrasonice de măsură (TR1, TR2), conectate în serie cu unul din mijloacele de comutație (S1; S2), sunt 29 conectate în paralel.

5. Circuit conform uneia din revendicările de la 1 la 3, caracterizat prin aceea că 31 fiecare traductor ultrasonic de măsură (TR1, TR2) este conectat în paralel cu unul din mijloacele de comutație (S1, S2), și prin aceea că respectivele traductoare ultrasonice de33 măsură (TR1, TR2), conectate în paralel cu unul din mijloacele de comutație (S1, S2), sunt conectate în serie.35

6. Circuit conform uneia din revendicările de mai sus, caracterizat prin aceea că se utilizează o frecvență ultrasonică ce este cuprinsă între 500 kHz și 2 MHz.37

7. Circuit conform uneia din revendicările de mai sus, caracterizat prin aceea că utilizează o conductă de măsură, prevăzută cu N traductoare ultrasonice de măsură (TR1,39

TR2), unde N>2.