DE3025788C2

DE3025788C2 - Ultraschall-Meßgerät

Info

Publication number: DE3025788C2
Application number: DE3025788A
Authority: DE
Inventors: Henning May Nordborg Hansen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1980-07-08
Filing date: 1980-07-08
Publication date: 1985-07-04
Also published as: FR2486648A1; DE3025788A1; DK157580B; GB2079939B; CA1165855A; DK157580C; JPH0221529B2; US4424715A; JPS5745419A; GB2079939A; FR2486648B1; DK285681A; NL8103241A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem aus der DE-OS 29 11 962 bekannten Ultraschall-Meßgerät dieser Art ist der Sendesignalgeber über je einen ersten Schalter und der Empfängerverstärker über je einen zweiten Schalter mit dem einen Anschluß jeder Ultraschallwandler-Schaltung verbindbar. Durch abwechselndes Umschalten dieser Schalter wird erreicht, daß die Meßstrecke in der einen bzw. in der anderen Richtung vom Ultraschallsignal durchlaufen wird. Bei einer Ausführungsform ist der Sendesignalgeber durch einen Stromgenerator gebildet, der aus der Reihenschaltung eines Spannungsgenerators und eines Widerstandes besteht, der groß gegenüber derjenigen Impedanz ist, die sich, von dem Ausgang des Sendesignalgebers aus in die Ultiaschallwandler-Schaltu.igen gesehen, ergibt In gleicher Weise werden die Ultraschallwandler-Schaltungen auf der Empfängerseite durch einen Empfängerverstärker hoher Impedanz abgeschlossen. Im Gegensatz dazu ist bei einer weiteren Ajsführungsform dem Empfängerverstärker ständig ein kleiner Widerstand parallelgeschaltet. Dieser schließt die Empfängerseite der Ultraschallwandler-Schaltungen praktisch kurz. Der Empfängerverstärker wird daher von einer Spannung beaufschlagt, die proportional zum Strom durch diesen Widerstand ist Welche Impedanz der als Stromsignalgeber dienende Impedarizger.erator hai, ist nicht angegeben.

Derartige Ultraschall-Meßgeräte sind vielseitig anwendbar. Sie werden beispielsweise zur Ultraschallmessung der Geschwindigkeit strömender Medien benutzt. In diesem Fall wird die Meßstrecke so gelegt, daß zumindest eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit bei der einen Messing in Richtung des Ultraschallsignals und bei der anderen Messung entgegen dieser Richtung verläuft. Wenn das Signal auf der Empfängerseite mit Hilfe einer kleinen Abschlußimpedanz hauptsächlich durch einen Strom vorgegeben ist, läßt sich die erforderliche Ausgangsleistung auf einem niedrigen Spannungsniveau erzielen, so daß kapazitive Störeinfiüsse, Übersprechen zwischen den beiden Ultraschallwandler-Schaltungen u. dgl. gering sind. Bei dieser Schaltung treten aber Nullpuriktsverschiebungen auf, die sich dadurch bemerkbar machen, daß bei einer Messung in stehender Flüssigkeit das Meßsignal richtungsabhängig unterschiedliche Werte hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Meßgerät anzugeben, bei dem die empfangsseitige Abschlußimpedanz klein ist und trotzdem eine Nullpunktsverschiebung stark herabgesetzt und im günstigsten Fall praktisch vollständig beseitigt ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei diesem Schaltungsaufbau ist dafür gesorgt, daß der durch die beiden Ultraschallwandler-Schaltungen einschließlich der Übertragungstransformatoren, der Verbindungskabel und der dazwisi hen liegenden Meßstrecke gebildete Vierpol nicht nur auf der Empfängerseitc. sondern auch auf der Senderseite durch eine Impedanz abgeschlossen ist, die klein ist gegenüber den hohen Impedanzen von Stromgenerator und Empfängerverstärker. Da diese kleinen Impedanzen annähernd gleich groß sind, ist sichergestellt, daß unabhängig von der Laufrichtung der Messung bei stehender Flüssigkeit identische Meßsignale erzielt werden. Dies gilt auch dann, wenn die Impedanzen der Ultraschallwandler-Schaltungen aus Herstellungsgründen nicht genau gleich sind oder wenn diese Schaltungen mit der Zeit, z. B. durch eine Verschmutzung der Meßstrecke, unterschiedlich altern. Da die Anschlüsse der Ultraschallwandler-Schaltungen jeweils unmittelbar und nicht unter Zwischenschaltung eines Schalters mit einer Belastungsimpedanz verbunden sind, ist es möglich, eine niederohmigen Abschluß dauernd, also auch während des

Unischaltvorganges, aufrechtzuerhalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Impedanzen der Schaltstrecken der Umschaltvorrichtung keinen oder nur einen geringen Einfluß auf die Abschlußimpedanz nehmen.

Gemäß Anspruch 2 bestehen die Belastungsimpedanzen im einfachsten Fall aus ohmschen Widerständen, die billig herstellbar und mit genauen Werten einsetzbar sind. Es kommen aber auch Spulen, Kondensatoren u. dgl, sofern sie linear und amplitudenunabhängig sind, oder Kombinationen verschiedener Impedanzen als Belastungsimpedanz in Betracht

Die Belastungsimpedanzen können auch noch anderen Anpassungszwecken dienen. Gemäß Anspruch 3 können sie die Eigenresnnanz der Ultraschallwandler-Schaltungen dämpfen.

Die Ausführungsform des Anspruchs 4 ergibt eine einfache Schaltung, bei der alle Schalter einseitig an Masse liegen. Die Belastungsimpedanzen bilden jeweils paarweise die einander gleichen Abschlußwiderstände. Die hochohmigen Innenwiderstände des Stromgenerators und des Empfängerverstärkers können mit Bezug auf diese Abschlußwiderstände vernachlässigt werden.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 sind die Belastungsimpedanzen fest mit den Anschlüssen je einer Ultraschallwandler-Schaltung verbunden und können daher als Teil des Vierpols betrachtet werden, dessen Abschlußwiderstände dann durch die sehr hohen Eigenimpedanzen von Stromgenerator und Empfängerverstärker gebildet werden. Die Belastungswiderstände können dabei sehr genau der Dämpfung der Resonanzfrequenz der jeweiligen Ultraschallwandler-Schaltung angepaßt werden.

Die Umschaltvorrichtung kann aus Transistorschaltern aufgebaut sein. Besonders günstig ist der Aufbau nach Anspruch 6, denn durch Verwendung einer Darlington-Transistorschaltung wird sichergestellt, daß beinahe der gesamte Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke fließt und daher eine gute Isolation gegenüber der Basis vorhanden ist.

Die Diod^nbrücke gemäß Anspruch 7 ist sehr widerstandsarm, insbesondere im Vergleich mit dem hochohmigen Empfängerverstärker. Außerdem ermöglicht sie eine gute Isolation des Empfängerverstärkers von den eingangsseitigen Sendesignalen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter A'-sführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Ultraschall-Meßgeräts,

F i g. 2 eine vereinfachte Darstellung dieser Schaltung,

F i g. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschall-Meßgeräts und

F i g. 4 eine Abwandlung eines Teils dieser Schaltung.

Bei der Ausführuigsform der F i g. 1 ist in einem Rohr 1, das in Richtung des Pfeiles 2 von einer Flüssigkeit durchströmt wird eine Meßstrecke 3 vorgesehen, die beidseitig durch einen Ultraschallwandler 4 bzw. 5 üblicher Bauart abgeschlossen ist. Der Ultraschallwandler 4 ist über eine Koaxialleitung 6 mit einem Transformator 7, der Ultraschallwandler 5 über eine Koaxialleitung 8 mit einem Transformator 9 verbunden. Die Teile 4, 6 und 7 bilden eine erste Ultraschallwandler-Schaltung 10 mit zwei Anschlüssen 11 und 12. Die Teile 5, 8 und 9 bilden eine zweite Ultraschallwandler-Schaltung 13 mit den Anschlüssen 14 und 15.

Die Anschlüsse 11 und 14 sind über zwei ohmsche Belastungswiderstände R 1 und R 2, die Anschlüsse 12 und 15 über zwei ohmsche Belasiungswiderstände R 3 und R 4 miteinander verbunden. Jeder Anschluß 11,12; 14, 15 ist über einen Transistorschalter TrI, Tr2, Tr 3 bzw. Tr 4 mit Masse verbunden.

Zwischen den Belastungswiderständen R 1 und R 2 ist ein Sendesignalgeber 16 in der Form eines Stromgenerators mit einem Schalttransistor Tr 5, einem Basiswiderstand R 5 und einem Emitter-Widerstand R 6 angeschlossen. Zwischen den Belastungswiderständen R 3 und R 4 ist über einen Kondensator C1 ein Empfängerverstärker 17 angeschlossen, der zwei Transistoren Tr 6 und Tr 7, die Widerstände R 7, R 8, R 9, R 10 und R 11 sowie den Ausgangskondensator C 2 aufweist. Ein Steuer- und Auswertegerät 18 gibt über eine Leitung 19 einen Auslöseimpuls S1 an den Schalttransistor Tr 5 des Stromgenerators 16 und empfängt über die Leitung 20 das hochfrequente Empfangssignal S 2 vom Empfängerverstärker 17. Außerdem gibt das Gerät 18 Steuerimpulse Q und Q an die Transistorschalter Tr 1 bis Tr 4 ab, um diese paarweise abwechselnd in den leitenden Zustand zu bringen. Das Meßergebnis .. ^;.nn beispielsweise im Feld 21 angezeigt werden.

Die ohmschen Belastungswiderstände R 1 und R 2 sind gleich groß, aber klein im Vergleich zur Impedanz des Stromgenerators 16, die hauptsächlich durch den Widers .and R 6 bestimmt ist. Die ohmschen Belastungswiderstände R 3 und R 4 sind gleich groß, aber klein im Vergleich zur Impedanz des Empfängerverstärkers 17, die hauptsächlich durch den Widerstand /?8 bestimmt ist.

Damit ergibt sich folgende Betriebsweise: wenn das Steuersignal Q gesendet wird, erhält man den Betriebszustand der F i g. 2. Der vom Stromgenerator 16 abgegebene Strom teilt sich in zwei Teile, von denen der eine über die Reihenschaltung des Belastungswiderstandes R 1 und den Transformator 7 und der andere über den Belastungswiderstand R 2 fließt. Das über den Transformator 9 abgegebene empfangsseitige Signal fließt über die Reihenschaltung der Belastungswiderstande ti 4 und R 3, die als Spannungsteiler dient, so daß der Empfängerverstärker 17 durch den Spannungsabfall am Belastungswiderstand R 3 gesteuert wird. Bei dieser Schaltung bilden die beiden Ultraschallwandler-Schaltungen 10 und 13 zwischen ihren Anschlüssen 11, 12 und 14, 15 einen Vierpol, bei dem Impedanzänderingen im Inneren praktisch keine Auswirkungen auf die Leistungsabgabe des Stromgenerators 16 haben. Denn dessen Strom wird praktisch ausschließlich vom Widerstand 7? 6 bestimmt. Die eingangsseitige Abschlußimpedanz des Vierpols ist klein, nämlich durch die Parallelschaltung des Belastung-Widerstandes R2 und Al am Eingang des Vierpols gegeben. Die ausgangsseitige Artschlußimpedanz ist gleich groß und durch die BeIas'.ungjwiderstände RZ und R4 gegeben. Beim Umschalten des Steuersignals Q und erneuter Abgabe des Auslöseimpulses 6 ϊ wird der Sendeimpuls über den Transformator 9 abgegeben und das Empfangssignal über den Transformator 7 zurückgeführt. Hierbei ergeben sich die gleichen Verhältnisse. Auf diese Weise wird eine störende Nullpunktsverschiebung praktisch vollständig unterdrückt.

Bei einer Ausführungsform des Ultraschall-Meßgeräts nach F i g. 1 hatten die Belastungswiderstände R 1 bis A4 je einen Wert von 100Ω. Die Impedanz des Stromgenerators 16 betrug etwa 50 kQ. Beim Empfängerverstärker hatte der Widerstand R 7 einen Wert von 200 kn und der Widerstand R 8 einen Wert von 33 kfl.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 sind von den Ultraschallwandler-Schaltungen 110 und 113 lediglich die Transformatoren 107 und 109 mit den zugehörigen Anschlüssen 111 und 112 bzw. 114 und 115 dargestellt. Der Sendesignalgeber 116 hat einen anderen Aufbau als in Fig. 1, der Empfängerverstärker 117 kann denselben Aufbau haben.

Bei dieser Ausführungsform ist ein ohmscher Belastungswiderstand R 12 zwischen die Anschlüsse 111 und 112 und ein ohmscher Belastungswiderstand R 13 zwisehen die Anschlüsse 114 und 115 geschaltet. Beide Widerstände sind vorzugsweise von gleicher Größe, aber klein gegenüber den Impedanzen des wiederum als Stromgenerator ausgelegten Sendesignalgebers 116 und des Empfängerverstärkers 117. Die Belastungswi- is derstände R 12, R 13 dienen gleichzeitig dazu, die Resonanzen der Ultraschallwandler-Schaltungen 110, 113 zu dämpfen, die eine Übersteuerung und eine Unlinearität in den Schaltmitteln hervorrufen könnten.

Der Stromgenerator 116 weist einen Transistor 7>8 mit einem Emitterwiderstand R 14 auf. Seine Basis wird über einen Transformator 22 von einem durch den Auslöseimpuls S 1 gesteuerten Oszillatorkreis 23 üblicher Bauart beeinflußt, so daß der Stromgenerator 116 als Sendesignal eine Stromschwingung abgibt

Die Ausgangsieitung 23 des Stromgenerators ΐ 16 ist über einen Transistorschalter Tr 9 mit dem Anschluß 111 und über einen Transistorschalter TrIO mit dem Anschluß 114 verbunden. Die Basis dieser ersten Schalter Tr 9, Tr 10 liegt normalerweise über die Widerstände R 15 bzw. R 16 an 'er positiven Speisespannung, so daß diese Schalter gesperrt sind. Durch die Signale Q bzw. Q können sie über Verstärker 24 bzw. 25 und zugehörige Widerstände R 17 bzw. R 18 an negatives Potential gelegt werden, so daß sie leitend werden.

Der Anschluß 111 ist über einen Kondensator Ci mit einem Schalter 26, der Anschluß 114 über einen Kondensator C4 mit einem Schalter 27 verbunden. Die Schalterausgänge führen zum Empfängerverstärker 117. Diese beiden zweiten Schalter 26, 27 werden je durch eine Diodenbrücke 28 bzw. 29 gebildet, denen Widerstände R 19. R 20 bzw. R 21, R 22 vor- und nachgeschaliet sind. Diese Schalter werden durch Verstärker 30 bzw. 31 von den Signalen Q bzw. Q angesteuert. Wenn beispielsweise der Verstärker 30 ein positives und der Verstärker 31 ein negatives Ausgangssignal abgibt, fließt ein Strom über den Schalter 27 mit der Folge, daß ein Ausgangssignal vom Anschluß 114 zum Empfängerverstärker 117 übertragen werden kann. Die Schaltung ist so gewählt, daß gleichzeitig der Transistorschalter Tr 9 leitend ist Bei Signalumkehr wird der Transistorschalter Tr 10 leitena und der Schalter 28 sorgt für die Übertragung des Empfangssignals.

Bei dieser Schaltung können die Belastungswiderstände R 12 und R 13 als Teile des Vierpols betrachtet werden, so daß die einander gleichen Abschlußimpedanzen durch die sehr hohen Innenwiderstände des Stromgenerators 116 und des Empfängerverstärkers 117 gebildet werden. Hierbei ist der durch seinen Widerstand R 14 hochohmige Stromgenerator 116 durch eine sehr geringe Impedanz belastet, weil dem zwischen den Anschlüssen 111, 112 und 114, 115 gebildeten Vierpol ein kleiner Belastungswiderstand R 12 eingangsseitig parallel geschaltet und der Vierpol ausgangsseitig durch einen kleinen Belastungswiderstand R 13 abgeschlossen ist

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 sind die beiden Transistorschalter Tr 9 und TrIO durch eine Darlingtonschaltung 30 bzw. 31 ersetzt, die jeweils aus zwei Transistoren Tr 11 und Tr 12 bzw. Tr 13 und Tr 14 besteht. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß nur ein kleiner Teil des Schaltstroms über die Basisstrecke fließt, so daß Nicht-Linearitäten dieser Schalter ebenfalls keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Meßgerät mit zwei wahlweise als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschall· wandler-Schaltungen, deren Anschlüsse mittels einer Umschaltvorrichtung wahlweise mit einem Sendesignalgeber bzw. einem Empfängerverstärker in Wirkverbindung bringbar sind, wobei der als Stromgenerator ausgeführte Sendesignalgeber und der Empfängerverstärker eine hohe Impedanz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (11, 12; 14, 15; 111, 112; 114, 115) beider Ultraschallwandler-Schaltungen (10,13; HO, 113) in beiden Schaltstellungen unmittelbar mit mindestens einer Belastungsimpedanz (R 1 — R 4; R 12, R 13), die klein gegenüber der Impedanz des Stromgenerators (16; 116) und des Empfängerverstärkers (17; 117), aber annähernd gleich groß sind, versehen sind, wobei die Belastungsimpedanzen (R 1—R 4; R 12, R 13) ständig an deti Anschlüssen (11,12,14,15; 111,112, f 14, Π5) beider Uiiraschaiiwandier-Schäiiungen (10,13; 110,113) wirksam sind.

2. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsimpedanzen (R I-R4; RlZ R 13) ohmsche Widerstände sind.

3. Ultraschall-Meßgerät nach Ansprach ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsimpedanzen (R 12, R 13) so bemessen sind, daß sie die Eigenresonanz der Ultraschallwandler-Schaltungen (110,113) dämp! :n.

4. Ultraschall-Meßgerät nach p>nem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (16) über je eine Bel'stungsimpedanz (R 1. R 2) mit dem einen Anschluß (11,14) der beiden Ultraschallwandler-Schaltungen (10, 13), der Empfängerverstärker (17) über je eine Belastungsimpedanz (R 3, R 4) mit dem anderen Anschluß (12, 15) der beiden Ultraschallwandler-Schaltungen und alle Anschlüsse über je einen Schalter /Tr 1 —Tr 4) mit Masse verbunden sind, wobei alle Belastungsimpedanzen gleich groß sind.

5. Ultraschall-Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je eine von zwei Belastungsimpedanzen (R 12, R 13) den Anschlüssen (IU, 112; 114, 115) der Ultraschallwandler-Schaltungen (110,113) parallel geschaltet ist.

6. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sendesignalgeber (116) zugeordneten Schalter der Umschaltvorrichtung je durch eine Darlington-Transistor-Schaltung (30,31) gebildet sind.

7. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Empfängerverstärker (117) zugeordneten Schalter (26, 27) der Umschaltvorrichtung je durch eine stromgesteuerte Diodenbrücke (28,29) gebildet sind.