WO1995018956A1 - Ansteuer- und auswerteanordnung für zwei als sender und empfänger betreibbare ultraschallwandler - Google Patents

Ansteuer- und auswerteanordnung für zwei als sender und empfänger betreibbare ultraschallwandler Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit arrangement for controlling and evaluating ultrasonic transducers for ultrasonic flow measurement.
  • Ultrasonic flow meters are e.g. used in the measurement of the intake air of internal combustion engines or in the gas flow measurement in households. As a rule, these flow meters evaluate transit time differences of the ultrasonic signal in the direction of the flow and counter to the flow.
  • ultrasonic transducers are built into the walls of a measuring tube, which can alternatively be operated via a corresponding control unit as a transmitter or as a receiver. These ultrasonic transducers send e.g. pulsed ultrasonic signals into the flowing fluid. The respective receiver detects the signal so that the transit time of the individual sound pulses can be determined. If the roles of sender and receiver are interchanged, the transit time can be determined in the opposite direction. The velocity of the flow results from the difference between the measured transit times.
  • the object of the present invention is to provide a control and evaluation device in which the measurement is carried out quickly and precisely.
  • the measuring rate, the number of sound propagation time measurements per unit of time, should only be limited by the transit time of the ultrasonic signal.
  • a reciprocity-compliant structure is a prerequisite for an exact measurement.
  • the invention has the advantage that it is suitable for a wide range of uses and that a high voltage, which can be applied to the ultrasound transducers, can be controlled with a low-voltage signal. Specimen-dependent delay times of the switching transistors have no effect on the measurement of the sound propagation time.
  • Figure 1 shows the basic structure of the device.
  • FIG. 2 shows the timing of control and reception signals.
  • the ultrasound transducers USW1 and USW2 are switched through alternately to the preamplifier V via complementarily controlled switching transistors TR1 and TR2 or via the switching transistors TAU, TA21 and TA12, TA22 to the transmission transistor TK1.
  • the switching transistors (short-circuit switches) TM1 and TM2 alternately hold the ultrasonic transducer USW1 or USW2, which acts as a receiver, via the
  • Reciprocity resistance R rez to ground potential.
  • the on-state resistances of the switching transistors TR1, TR2, TM1, TM2, TAU or TA12 which are negligible with respect to the reciprocity resistance R rez are the Reciprocity condition, that is, an identical electrical termination when sending and receiving met.
  • the high voltage UJJ can e.g. are generated in the usual way with a coil transistor ignition.
  • the kickback pulse when switching off the coil current with the aid of a switching transistor should be rectified via a diode, limited by a Zener diode and smoothed by a high-voltage capacitor.
  • the capacitance of the smoothing capacitor should be chosen so large that different converter capacitances have no repercussions on the transmission process and thus on the zero point deviation.
  • the control signals UHI and UH2 are obtained by logically combining the signal Uy-education with the control signal direction R.
  • the signal clock compare FIG. 2, synchronizes the individual control signals.
  • the click delay is triggered on the rising clock edge.
  • the click pulse KI is triggered on the falling edge of the click delay. Its width is decisive for the pulse width of the high-voltage pulse.
  • the signal edges of the control voltages are potential disturbance variables.
  • the suitable temporal position of the signal edges helps to make the circuit more immune to interference.
  • care must be taken to ensure that the falling edge of the clock, which can cause interference, does not occur at the same time as the received signal.
  • the width of the signal window has to be adapted to the received signal.
  • the window width is typically around 400 to 800 ⁇ s.
  • the window suppresses interference signals that are in the immediate vicinity of the received signal.
  • a falling send pulse edge is comparable to a new send pulse SI, which must be taken into account when choosing a suitable window width.
  • the requirements can be met excellently if processes 1 to 4 (approximate coincidence within the high-voltage activation interval) and processes 5 and 6 coincide approximately.
  • the reception disturbances caused by the transmission process and the switching on of the current of the high-voltage coil, as well as the disturbances caused by the change of direction (voltage jump at the reception converter) and the high-voltage pulse are summarized.
  • the reciprocity resistance R rez can advantageously be optimized for a power adjustment . So the optimal reciprocity resistance R rez is due to one

Abstract

In einem Strömungsmeßrohr sind zwei Ultraschallwandler angebracht, die alternierend als Sender und Empfänger betrieben werden. Die Ansteuerung der beiden Ultraschallwandler erfolgt mittels einer Transistorschaltung. Sowohl die Ansteuer- als auch die Auswerteeinheit erfüllt die Reziprozitätsbedingung. Damit wird gewährleistet, daß sowohl beim Senden, als auch beim Empfangen immer ein fest definierter gleichbleibender elektrischer Abschluß besteht. Die Ansteuereinheit ist so konzipiert, daß exemplarabhängige Verzögerungszeiten der Schalttransistoren keine Auswirkung auf die Messung haben.

Description

Ansteuer- und Auswerteanordnung für zwei als Sender und Empfänger betreibbare Ultraschallwandler
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Auswertung von Ultraschallwandlern für die Ultraschallströmungsmessung.
Ultraschall-Strömungsmesser werden z.B. bei der Messung der An¬ saugluft von Verbrennungsmotoren oder bei der Gasdurchflußmes¬ sung in Haushalten benutzt. Diese Strömungsmesser werten in der Regel Laufzeitunterschiede des Ultraschallsignals in Richtung der Strömung und entgegen der Strömung aus. Zu diesem Zweck sind in den Wandungen eines Meßrohres Ultraschallwandler ein¬ gebaut, die über eine entsprechende Ansteuereinheit alternativ a s Sender oder als Empfänger betrieben werden können. Diese Ultraschallwandler senden z.B. pulsartig Ultraschallsignale in das strömende Fluid aus. Der jeweilige Empfänger detektiert das Signal, so daß die Laufzeit der einzelnen Schallimpulse bestimmt werden kann. Bei Vertauschen der Rollen von Sender und Empfänger kann die Laufzeit in der entgegengesetzten Richtung bestimmt werden. Aus der Differenz der gemessenen Laufzeiten ergibt sich die Geschwindigkeit der Strömung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuer- und Auswertevorrichtung anzugeben, bei der die Messung schnell und exakt erfolgt. So sollte die Meßrate, die Anzahl der Schallaufzeitmessungen pro Zeiteinheit, nur durch die Laufzeit des Ultraschallsignals begrenzt sein. Ein reziprozitätskonfor¬ mer Aufbau ist für eine exakte Messung Voraussetzung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie für einen breiten Ein¬ satzbereich geeignet ist und, daß mit einem Niederspannungs- signal eine Hochspannung, welche an die Ultraschallwandler an¬ legbar ist, gesteuert werden kann. Exemplarabhängige Ver¬ zögerungszeiten der Schalttransistoren haben keine Auswirkung auf die Messung der Schallaufzeit.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung.
Figur 2 zeigt den zeitlichen Ablauf von Steuer- und Empfangssi¬ gnalen.
Wie Figur 1 zeigt, werden die Ultraschallwandler USW1 und USW2 über komplementär angesteuerte Schalttransistoren TR1 und TR2 wechselweise zum Vorverstärker V bzw. über die Schalt- transistoren TAU, TA21 und TA12, TA22 zum Sendetransistor TK1 durchgeschaltet. Die Schalttransistoren (Kurzschlußschalter) TM1 und TM2 halten alternierend den jeweils als Empfänger wirkenden Ultraschallwandler USW1 oder USW2 über den
Reziprozitätswiderstand Rrez auf Massepotential. Der selbe Wi¬ derstand Rrez liegt während der Hochspannungsaktivierungsphase - d.h. entweder das Steuersignal Um oder das Steuersignal UJJ2 bringt die Schalttransistoren TAU bzw. TA12 zum Durchschalten- über TAU bzw. TA12 in Serie zum Sendetransistor TK1. So wird unter Annahme von gegenüber dem Reziprozitätswiderstand Rrez vernachlässigbaren Durchlaßwiderständen der beteiligten Schalttransistoren TR1, TR2, TM1, TM2, TAU oder TA12 die Reziprozitätsbedingung, d.h. ein identischer elektrischer Abschluß beim Senden und Empfangen erfüllt.
Gemäß dem in Figur 2 dargestellten zeitlichen Ablauf von Steuer- und Empfangssignalen wird der "Knack"-Impuls KI
("Knack" = Kurzschluß nach Masse) um einige Mikrosekunden relativ zu dem am Schalttransistor TA21 bzw. TA22 liegenden Steuersignal, UHι bzw. Ujj2 verzögert. Damit bleiben die exemplarabhängigen Verzögerungszeiten der Schalttransistoren TAU bzw. TA12 ohne Auswirkung auf den Sendevorgang. Da der über die Schalttransistoren TAU und TA12 ausgewählte Ultra¬ schallwandler USW1 oder USW2 vor dem Senden noch entladen ist, bedeutet das Zuschalten der Hochspannung U{j mit dem Sendetransistor TKl, welcher über den Sendetransistor TK2 mittels des Knack-Impulses geschaltet wird, eine Stufenanregung mit ansteigender Flanke. Der anschließende Entladevorgang mit dem Schalttransistor TM1 bzw. TM2 erfolgt gegenüber dem Abschalten des Sendetransistors TKl leicht verzögert, um Stromspitzen durch eine kurzzeitige direkte Verbindung von Hochspannungsquelle und Masse zu verhindern.
Die Hochspannung UJJ kann z.B. auf übliche Weise mit einer Spu- lentransistorzündung erzeugt werden. Der Rückschlagimpuls beim Ausschalten des Spulenstroms mit Hilfe eines Schalttransistors sollte hier über eine Diode gleichgerichtet, von einer Zenerdi- ode begrenzt und von einem Hochspannungskondensator geglättet werden. Die Kapazität des Glättungskondensators ist so groß zu wählen, daß unterschiedliche Wandlerkapazitäten keine Rückwirkungen auf den Sendevorgang und damit auf die Nullpunktsabweichung haben.
Die Steuersignale UHI und UH2 werden durch logisches Verknüpfen des Signals Uy-aktiv it dem Steuersignal Richtung R gewonnen. Das Signal Takt, vergleiche Figur 2, synchronisiert die einzel¬ nen Steuersignale. So wird beispielsweise die Knack-Verzögerung auf die steigende Taktflanke getriggert. Auf die fallende Flanke der Knack-Verzögerung wird der Knack-Impuls KI getriggert. Dessen Breite ist für die Impulsbreite des Hochspannungsimpulses maßgebend.
Ein Vorteil der Schaltung liegt darin, daß mit niedrigen SteuerSpannungen, wie z.B. dem Knack-Impuls KI, hohe Spannungen geschaltet werden können. Man erhält damit eine größere Freiheit bei der Wahl der Hochspannung UJJ. Aufgrund der kapazitiven Eigenschaften des Ultraschallwandlers dauert der Sendeimpuls SI länger als der Knack-Impuls KI.
Grundsätzlich sind die Signalflanken der Steuerspannungen po¬ tentielle Störgrößen. Die geeignete zeitliche Lage der Signal¬ flanken hilft die Schaltung störsicherer zu gestalten. So ist bei der Wahl der Taktfrequenz darauf zu achten, daß die fallen¬ de Flanke des Takts, welche eine Störung verursachen kann, nicht zeitgleich mit dem Empfangssignal auftritt. Die Breite des Signalsfensters ist an das Empfangssignal anzupassen. Typischerweise liegt die Fensterbreite bei ca. 400 bis 800 μs. Mit dem Fenster werden Störsignale, die in der näheren Umgebung des Empfangssignals liegen, unterdrückt. Eine fallende Sendeimpulsflanke ist mit einem neuen Sendeimpuls SI vergleichbar, was bei der Wahl einer geeigneten Fensterbreite zu berücksichtigen ist. Für eine ungestörte Auswertung der EmpfagnsSignale muß der zeitliche Ablauf der folgenden Ereignisse, wie angegeben, verschachelt werden:
1. Steigende Taktflanke
2. Steigende "Knack"-Flanke
3. Wandlerentladung nach Masse
4. Einschalten des Spulenstroms zur Hochspannungserzeugung 5. Zündvorgang der Hochspannungserzeugung (Stromabschaltung)
6. Richtungsumschaltung
Die Vorgänge 1 bis 6 sollten zudem innerhalb der Ultraschallsignallaufzeit abgearbeitet sein, um eine möglichst nah bei der theoretischen Meßgrenze fmax = 1/Laufzeit liegende Meßrate zu erreichen. Wie erste praktische Erfahrungen zeigen, lassen sich die Forderungen ausgezeichnet erfüllen, wenn die Vorgänge 1 bis 4 (annnähernde Koinzidenz innerhalb des Hochspannungsaktivierungsintervalls) sowie die Vorgänge 5 und 6 annähernd zusammenfallen. Hierdurch werden die Empfangsstörungen durch den Sendevorgang und das Einschalten des Stroms der Hochspannungsspule, sowie die Störungen durch die Richtungsumschaltung (SpannungsSprung am Emfpangswandler) und des Hochspannungsimpulses zusammengefaßt.
Innerhalb der Laufzeit, Minimum ca. bei 100 μs, kann problemlos ein für ca. 100V Hochspannung ausreichender Spulenstrom bzw. magnetischer Fluß aufgebaut werden. Um die Verluste durch den stationären Spulenstrom möglichst gering zu halten, sollte die induktive Zeitkonstante L/R, L = Spuleninduktivität, R = Spulenverlustwiderstand, ungefähr der Laufzeit entsprechen.
Der Reziprozitätswiderstand Rrez kann vorteilhafterweise auf eine Leistungsanpassung hin optimiert werden. So liegt der optimale Reziprozitätswiderstand Rrez an einem
Ultraschallwandler mit einer Wandlerkapazität von Cw = 2...3nF und einer Wandlerfrequenz fw = 150kHz im Bereich von Rrez = 330...lkΩ.
Für die erfindungsgemäße Schaltung ist jede Art Ultraschall- wandler geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Ansteuer- und Auswerteanordnung für zwei als Sender und Empfänger betreibbare Ultraschallwandler (USW1, USW2) , - bei der ein Hochspannungssignal wahlweise über einen ersten Transistor (TAU) und einen ersten Widerstand (Rrez) zum einen Ultraschallwandler (USW1) oder über einen zweiten Transistor (TA12) und einen dem Wert des ersten Widerstands (Rrez) nach gleichen zweiten Widerstand (Rrez) z-un anderen Ultraschallwandler (USW2) durchschaltbar ist,
- bei der ein erstes schaltbares Mittel zur Masseklemmung zwischen dem ersten Transistor (TAU) und dem ersten Widerstand (Rrez) liegt,
- bei der ein zweites schaltbares Mittel zur Masseklemmung zwischen dem zweiten Transistor (TA12) und dem zweiten
Widerstand (Rrez) liegt,
- bei der ein dritter Transistor (TR1) und ein vierter Transistor (TR2) vorgesehen ist mit welchen wahlweise einer der beiden Ultraschallwandler (USW1, USW2) zu einem Mittel zur Auswertung des von dem Ultraschallwandler stammenden EmpfangsSignals durchschaltbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der zur Erzeugung des Hochspannungssignals ein fünfter Transistor (TKl) vorgesehen ist, welcher mit einem Steuerimpuls steuerbar ist und mit welchem eine Hochspannung (Ujj) schaltbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zur Ansteuerung des ersten und des zweiten Transistors (TAU, TA12) jeweils ein vorgeschalteter Transistor (TA21, TA22) vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Mittel zur Auswertung eingangsseitig einen Verstärker (V) aufweist und dessen Ausgang mit einem Komparator verbunden ist.
PCT/DE1995/000019 1994-01-10 1995-01-10 Ansteuer- und auswerteanordnung für zwei als sender und empfänger betreibbare ultraschallwandler WO1995018956A1 (de)

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