SE521769C2 - Ultraljudsanordning - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 ~521l 769 2 som åtminstone till viss del sträcker sig i fluidumets strömningsriktning. Genom att växelvis sända ultraljud- pulserna från än den ena än den andra transducern, mäta den tid ljudet behöver för att färdas till den motsatta transducern och jämföra tidsskillnaden i de båda rikt- ningarna, är det möjligt att få ett mycket noggrant mått på fluidumets strömningshastighet eftersom tidsskillnaden är proportionell mot fluidumets strömningshastighet. Ett utförande av en sådan flödesmätare visas t ex i SE 8803925 (Us 5 214 966).

En transducer i ett sådant system drivs således i både sändnings- och mottagningsläge och för att fungera optimalt måste såväl transducer och sändningssteg som transducer och mottagningssteg vara elektriskt anpassade så väl som möjligt till varandra. Speciellt viktigt är detta i mottagningsläget och en felaktig anpassning i detta läge medför försämrad känslighet och kan ge upphov till störsignaler med sämre mätnoggrannhet eller felakti- ga mätresultat som följd. En sådan situation kan uppstå om såndningssteget ej är avskärmat eller separerat från transducern i mottagningsläget. Sändningssteget kommer då att fungera som en elektrisk belastning på transducern vilken dämpar eller helt släcker ut de mottagna och of- tast svaga signalerna. Ett alternativt utförande vore na- turligtvis att använda skilda transducrar för sändning och mottagning. Därvid vore det enkelt att åstadkomma fullständig separering av mottagnings- och såndningsste- gen men det skulle även vara en avsevärt kostsammare lös- ning.

Det är således önskvärt att på ett enkelt sätt åstadkomma effektiv avskärmning eller separering av transducern från såndningssteget i mottagningsläget. Oli- ka lösningar för att åstadkomma detta har presenterats tidigare. Bl a i boken Ultrasonic Density Sensor for Li- quids (ISBN 3-8265-4614-8) av Alf GmbH, Jan-1999, där på sid 90, 91 under rubriken ”5.2 Transmit/receive switch” redogörs för tre olika utföran- Püttmer, Shaker Verlag 10 15 20 25 30 35 ”S21” 769 3 den av en separeringskrets för en ultraljudanordning.

Nämligen separering genom i tur och ordning a) en aktiv switch såsom en transistor, b) två motkopplade dioder mellan sändningssteg och transducer och c) en resistor mellan sändningssteg och transducer. Var och en av dessa alternativa utföranden uppvisar dock nackdelar. eller T ex år utförandet enligt alternativ a) svårt, åtminstone kostsamt, att realisera vid system som drivs med höga spänningar, såsom är fallet exempelvis vid an- vändning av s k mikromekaniska transducrar. En switch be- lastar dessutom transducern både resistivt och kapacitivt i mottagningsläge vilket ger olika belastning vid olika temperatur och frekvens och därmed skiftande mätnoggrann- het.

Vid utförandet enligt alternativ b) åstadkoms en mycket dålig separering av mottagnings- och sändningsste- gen genom att dioderna är vända med sina respektive fram- riktningar åt vardera hållet. Detta utförande belastar dessutom, såsom i alternativ a), transducern både resis- tivt och kapacitivt vilket får till följd att belastning- en skiftar beroende på temperatur och frekvens.

Utförandet enligt c) har väsentligen samma brister som b), d v s dålig separering, genom att resistorn leder lika bra i båda riktningarna, och dessutom både resistiv belastning från resistorn och kapacitiv belastning från switchen i den förkopplade pulsgeneratorn, vilket gör se- pareringskretsen temperatur- och frekvensberoende.

Tidigare har såsom transducer vanligen använts en piezoelektrisk kristall. Sådana är ej så känsliga för be- lastning i mottagningsläget utan det kan ofta vara för- delaktigt att ha en viss belastning för dämpning av självsvängningar och undertryckning av radiella sväng- ningar.

På senare tid har dock även börjat användas s k mik- romekaniska givare där den verksamma svängningsytan är sammansatt av en mängd mycket små svängningselement. För- delarna med att använda en sådan som transducer i en ult- 10 l5 20 25 30 35 i521~ '769 4 raljudanordning är flera. Bl a är den svängande massan liten vilket har till följd att svängningen dämpas mycket snabbt efter en ultraljudpuls vilket i sin tur ger en mer distinkt ultraljudpuls med mindre störande eftersväng- ningar. Ett problem är dock att de erfordrar en hög driv- spänning vid sändning, normalt i storleksordningen 60-200 V, medan de spänningar som alstras under mottagning är smà, vanligen i storleksordningen av nägra mV. Behovet att separera transducern fràn sändningssteget i mottag- ningsläget är därför ännu större med dylika mikromekanis- ka givare. Dock har det visat sig att tidigare kända se- pareringskretsar ej ger tillräcklig separeringseffekt för att de mikromekaniska givarna skall fungera tillfreds- ställande eller fungera över huvud taget sàsom transducer i ultraljudanordningar med högt ställda krav pà mätnog- grannhet.

Kort redogörelse för uppfinningen Uppfinningen syftar till att undanröja problem och nackdelar med tidigare teknik och skapa en ultraljudan- ordning vilken, genom en enkel och prisbillig av- skärmings- eller separeringskrets, förmår effektivt sepa- rera sändnings- och mottagningsstegen fràn varandra i ät- minstone mottagningsläget. Åtminstone dessa syften uppnås medelst en ultraljudanordning enligt patentkravet 1.

Till grund för uppfinningen ligger sàledes insikten att separeringen, och därmed känslighet och mätnoggrann- het, kan förbättras avsevärt för alla typer av trans- ducrar men i synnerhet för mikromekaniska transducrar, genom att mottagningssteget och sändningssteget är för- bundna via en diod, vilken är vänd med sin framriktning mot sändningssteget. Det skall dock förstås att istället för endast en diod skulle det även vara fullt möjligt att använda tva eller flera dioder i serie- eller parallell- koppling vilka samtliga är vända med sina respektive framriktningar fràn transducern mot sändningssteget. 10 15 20 25 30 521 769 5 Företrädesvis innefattar separeringskretsen även två resistorer av vilka den ena ansluter diodens mottagnings- sida, dvs anoden, och den andra dess sändningssida, dvs katoden, med plussidan av en likströmskälla. Den resistor som förbinder diodens mottagningssida är i ett föredraget utförande avsevärt större än den som förbinder diodens sändningssida och kan lämpligen vara minst 1,5 gànger större, företrädesvis minst 3 gànger större och mest fö- redraget minst 6 gànger större. Härigenom kommer spän- ningen pà diodens mottagningssida i mottagningsläget att vara lägre än pà sàndningssidan och dioden är sålunda backspänd, d v s ingen ström gär genom densamma. Transdu- cern är i det föredragna utförandet ansluten mellan diodens mottagningssida och jord eller minussidan av en likströmskälla.

I ett härefter beskrivet föredraget utförande av uppfinningen, är en zenerdiod motkopplad i förhållande till separeringskretsens diod. Denna zenerdiod kan dock ej sägas utgöra del av själva separeringskretsen utan an- vänds endast för att begränsa spänningsfallet i ultra- ljudanordningen vid excitering av en sändningspuls.

Kort beskrivning av bifogade ritningar Pâ ritningarna visas i: FIG 1 ett schematiskt kopplingsschema över ett före- draget utförande av en ultraljudanordning en- ligt uppfinningen, varvid de delar som är verk- samma under sändning visas med heldragna lin- jer, FIG 2 kopplingsschemat enligt fig 1, varvid de delar som är verksamma under mottagning visas med heldragna linjer, FIG 3 ett diagram som åskådliggör spänningens varia- tion över tiden över en transducer under en sändningspuls vid användning av en konventio- nell kiseldiod i kopplingsschemana enligt fig 1 och 2 men utan zenerdiod, och 10 15 20 25 30 bd U'| i.. ... 5211769 6 FIG 4 ett diagram enligt fig 3 vid användning av en PIN-diod i kopplingsschemana enligt fig 1 och 2 men utan zenerdiod, FIG 5 ett diagram enligt fig 4 med en zenerdiod en- ligt kopplingsschemana i fig 1 och 2.

Detalierad beskrivning av ett föredraget utförande av uppfinningen I fig 1 och 2 visas ett schematiskt kopplingsschema över en ultraljudanordning enligt ett föredraget utföran- de av uppfinningen. I kopplingsschemat betecknar 1 en transducer vilken valfritt kan vara av piezoelektrisk el- ler mikromekanisk typ och vilken har till uppgift att om- vandla elektriska signaler till ljudpulser och vice ver- sa. Transducern är ansluten via en första resistor 2 till en positiv likspänning. Transducerns andra pol är anslu- ten till t ex jord eller ett batteris minuspol.

I en kopplingspunkt 3 mellan transducern 1 och re- sistorn 2 är en diod 4 ansluten med sin anodsida, dvs diodens framriktning är riktad fràn transducern. I samma punkt 3 är även ansluten en förstärkare 5 vilken har till uppgift att förstärka av transducern mottagna och till elektriska signaler omvandlade ultraljudpulser. De för- stärkta signalerna kan därefter användas för önskat ända- màl, t ex för styrning, mätning eller för att åskådliggö- ras i form av en kurva pà en display eller pà papper.

Diodens 4 katodsida är via en kopplingspunkt 6 an- sluten dels till den positiva likspänningen via en andra resistor 7, dels till jord via en switch 8, t ex en transistor. Switchen 8 styrs av en pulsgenerator 9. Mel- lan kopplingspunkten 6 och switchen 8 finns i det visade föredragna utförandet en zenerdiod 10 med uppgift att bi- behålla spänningen över transducern 1 pä en viss minsta nivà och därigenom bl a förkorta uppladdningstiden för kretsen efter en sandningspuls. Denna zenerdiod kan dock utelämnas om sä önskas. 10 15 20 25 30 u) 'Il -S21 769 7 Vid sändning av en ultraljudpuls från transducern l är de komponenter som är ritade med heldragna linjer i fig l involverade och förloppet är såsom följer: I ett utgångsläge ligger en konstant likspänning över trans- ducern 1, varvid likspänningen bestäms av spänningen mel- lan likströmskällan och jord samt förhållandet mellan re- sistorns 2 resistans och transducerns inre resistans.

Switchen 8 är i utgångsläget i ett icke ledande spärrlä- ge, vilket betyder att kopplingspunkten 6 har i det när- maste samma spänning som likströmskällan eftersom eventu- ell läckström genom switchen är liten. Kopplingspunkten 6 har således högre spänning än kopplingspunkten 3 och dioden 4 är därmed backspänd, dvs ingen ström gär genom densamma. När en ultraljudpuls skall sändas alstrar puls- generatorn 9 en styrpuls med lämpligt avpassad längd.

Styrpulsen reglerar switchen 8 så att den övergår från spärrläget till ett ledande läge. Switchen kommer således att börja leda ström och eftersom dess inre resistans är liten kommer spänningen i kopplingspunkten 6 att sänkas till ett värde som bestäms av zenerdioden 10, dioden 4 börjar leda i framriktningen och även spänningen i kopp- lingspunkten 3 sänks till ungefär samma spänning som kopplingspunkten 6. Följden blir ett kraftigt spännings- fall över transducern l, dvs en negativ sändningspuls alstras, och en ultaljudpuls avges från transducern.

När styrpulsen från pulsgeneratorn 9 upphör, stänger switchen 8, dvs ställer sig åter i spärrläge och spän- ningarna i kopplingspunkterna 6 och 3 återgår till ut- gångsläget, och 7. främst genom uppladdning via resistorerna 2 Därefter hänvisas till fig 2 vari visas med heldrag- na linjer de komponenter som i första hand är involverade vid mottagning av ultraljudsignaler. Anordningen är där- vid i utgångsläget med switchen 8 i spärrläget och med dioden 4 backspänd, varigenom spänningen i kopplingspunk- ten 3 bestäms av likströmskällans spänning i förhållande till jord och förhållandet mellan resistorns 2 och trans- 10 15 20 25 30 35 521i7e9 8 ducerns 1 resistanser. Spänningen över transducern 1 är sàledes väsentligen konstant i mottagningsläget och ult- raljudpulser som når transducern kan omvandlas till elektriska signaler utan stor dämpning. Signalen kan där- för detekteras, förstärkas i förstärkaren 5 och därefter behandlas på lämpligt sätt.

I fig 3 och 4 visas två diagram som åskådliggör spänningens variation med tiden över transducern l i den ultraljudanordning som visas i fig 1 och 2 men utan ze- nerdioden 10. Kurvorna åskådliggör förloppet vid sändning av en ultraljudpuls och de respektive kurvorna hänför sig till användning av två olika typer av dioder 4. Fig 3 åskådliggör förloppet vid användning av en konventionell diod, kurvan avser spänningen över transducern i utgàngs- eller t ex en kiseldiod. Den horisontella delen ll av mottagningsläget. Vid avgivning av en sändningspuls från pulsgeneratorn 9 och därvid reglering av switchen 8 till det ledande läget, kommer spänningen över transducern att falla snabbt till ett värde nära noll såsom äskådliggörs av den vertikala delen 12 av kurvan. Under den tid sänd- ningspulsen varar och därmed switchen 8 är i ledande läge, kommer spänningen att förbli pä denna låga nivà en- ligt kurvdelen 13. När sändningspulsen upphör och swit- chen 8 àtergàr till spärrläget börjar spänningen över transducern äter att öka enligt den krökta delen 14 av kurvan. Såsom framgår av kurvdelen 14 ökar spänningen över transducern förhållandevis långsamt och detta beror pà att transducern strömförsörjs endast via resistorn 2 och eftersom denna i ett föredraget utförande har hög re- sistans, kommer spänningsökningen att gå långsamt.

Kurvan i fig 4 avser spänningen över transducern vid användning av en s k PIN-diod 4. Såsom framgàr har början av denna kurva likartat utseende som kurvan i fig 3, dvs spänningssänkningen över transducern sker på analogt sätt när switchen 8 ställs i det ledande läget genom styrpul- sen från pulsgeneratorn 9. Däremot ökar spänningen över transducern avsevärt snabbare när switchen 8 àtergàr till 10 15 20 25 30 bJ U'1 W U _, u I' ,. .- .' . = 1 , _ ,.. _ K, ,,§.. 5:21 .7ɧ9 "*^-- -1 1'-~~' , r , , - _ _ . , . 1 * ' 9 spärrläget vilket framgår av kurvdelen 14 som i detta ut- förande stiger avsevärt brantare. Detta är mycket fördel- aktigt för ultraljudanordningens funktion. Snabb uppladd- ning av kretsen innebär nämligen att ultraljudpulser kan sändas med kortare tidsintervall mellan varandra vilket vid användning av ultraljudanordningen såsom flödesmäta- re, innebär att mätnoggrannheten ökar. Förklaringen till att en PIN-diod ger det utseende på spänningskurvan som visas i fig 4, är att en PIN-diod har förmågan att ome- delbart efter ledning i framriktningen, leda även en kort tid i backriktningen. Under denna tid kommer således transducern att strömförsörjas även via dioden 4 och re- sistorn 7 vilken i ett föredraget utförande har avsevärt lägre resistans än resistorn 2 och uppladdningstiden för- kortas därigenom.

I fig 5 visas motsvarande tid-/spänningsdiagram som i fig 4, d v s spänningens variation med tiden över transducern 1 under sändning av en ultraljudpuls vid an- vändning av en PIN-diod 4, men i detta utförande är även zenerdioden 10 anbringad mellan kopplingspunkten 6 och switchen 8. Såsom framgår har denna kurva likartat utse- ende som kurvan i fig 4, d v s snabb àteruppladdning en- ligt kurvdelen 14, med den skillnaden att urladdningen vid excitering av sändningspulsen ej går ner till ett värde nära noll utan stannar vid ett värde som bestäms av zenerdioden 10, närmare bestämt ca 27-28 V i det visade utförandet. Zenerdioden bidrar sålunda till en ytterliga- re förkortning av uppladdningstiden.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Det är givet att uppfinningen kan modifieras pà mångahanda sätt inom ramen för efterföljande patentkrav.

Så till exempel kan de komponenter som beskrivs och visas i samband med det föredragna utförandet, kompletteras med ytterligare komponenter för olika ändamål. Många av kom- ponenterna skulle även kunna vara parallell- och/eller seriekopplade med ytterligare komponenter av liknande ~s21~7e9 10 slag, t ex två eller flera dioder 4, sistorer 2 resp 7 etc. två eller flera re-

Claims (8)

l0 15 20 25 30 h.) (fl ~s21 769 ll PATENTKRAV

1. Ultraljudanordning för att sända och mottaga ult- (1), vilken förmär omvandla elektriska signaler till ultra- raljudpulser, innefattande åtminstone en transducer ljudsignaler och vice versa, och en elektronisk styrkrets innefattande dels ett sändningssteg med uppgift att i ett sändningsläge excitera transducern att sända ut ultra- ljudpulser, dels ett mottagningssteg för att i ett mott- agningsläge behandla av transducern mottagna och till elektriska mottagningspulser omvandlade ultraljudsigna- ler, samt en separeringskrets med uppgift att automatiskt ombesörja elektrisk separering av sändnings- och mottag- ningsstegen frän varandra i åtminstone ultraljudanord- av att ningens mottagningsläge, k ä n n e t e c k n a d separeringskretsen innefattar en diod (4) mellan sänd- ningssteget och mottagningssteget, vilken är vänd sà att den leder endast i riktning fràn mottagningssteget till sändningssteget.

2. Ultraljudanordning enligt krav l, k ä n n e - t e c k n a d diodens (4) av att i mottagningslàget är spänningen pä sändningssida högre än spänningen pà dess mottagningssida innebärande att dioden är backspänd.

3. Ultraljudanordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att densamma innefattar tvà resistorer (2, 7) vilka förbinder diodens (4) mottag- nings- resp sändningssida med en plussida av en lik- strömskälla, varvid resistansen pà mottagningssidan är minst 1,5 gånger större, företrädesvis minst 3 gånger större och mest föredraget minst 6 gànger större än resi- stansen på sändningssidan.

4. Ultraljudanordning enligt något av föregående av att transducern (1) är 4 krav, k ä n n e t e c k n ansluten mellan diodens ( a d ) mottagningssida och jord. 10 15 i 521 4769 12

5. Ultraljudanordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att en switch (8) är ansluten mellan diodens (4) sändningssida och jord, var- vid switchen regleras medelst en pulsgenerator (9).

6. Ultraljudanordning enligt något av föregående krav, k à n n e t e c k n a d av att dioden (4) är en PIN-diod.

7. Ultraljudanordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att transducern (1) är av mikromekanisk typ.

8. Ultraljudanordning enligt något av föregående k ä n n e t e c k a d (10) krav, av att sändningssteget inne- fattar en zenerdiod mellan dioden (4) och jord.