專利名稱：用于超聲流量計(jì)的收發(fā)器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的用于超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路。
背景技術(shù)：
在這樣的電路中，公知測(cè)量逆流和順流的超聲波發(fā)送之間的微小時(shí)間差需要通過(guò)換能器(transducer)發(fā)送和接收超聲波信號(hào)的電路具有極高的對(duì)稱度，從而信號(hào)在電路本身中的組運(yùn)行時(shí)間對(duì)于逆流和順流信號(hào)的傳輸是相同的。還公知負(fù)載每個(gè)換能器的阻抗從發(fā)送狀態(tài)到接收狀態(tài)都必須是恒定不變的。如果是這樣，則傳感器滿足互易(reciprocity)的條件。這意味著尤其是，當(dāng)介質(zhì)保持靜止時(shí)傳感器逆流和順流的發(fā)送時(shí)間是相同的。
該問(wèn)題在WO94/17371中提出，其中描述了采用兩個(gè)相同的發(fā)送和接收電路，每個(gè)換能器一個(gè)電路，該換能器包括一個(gè)放大器，其具有連接到超聲波流換能器的第一輸入終端、連接到信號(hào)源的第二輸入終端、連接到檢測(cè)電路的輸出終端以及輸出終端和第一輸入終端之間的反饋連接。每個(gè)電路都可以作用為發(fā)送電路或接收電路，其功能模式通過(guò)開(kāi)關(guān)布置或通過(guò)在發(fā)送和接收功能之間開(kāi)關(guān)兩個(gè)電路來(lái)改變，以便在兩個(gè)方向上都獲得超聲波信號(hào)的發(fā)送。但是，由這兩個(gè)電路之間的部件公差、不同溫度系數(shù)等等引起的不同仍然會(huì)導(dǎo)致對(duì)電路中的信號(hào)產(chǎn)生既固定的又依賴于溫度的組運(yùn)行時(shí)間差。
DK168248B1公開(kāi)了一種采用分離的發(fā)送和接收電路的系統(tǒng)，由此具有逆流和順流信號(hào)發(fā)送的組運(yùn)行時(shí)間不同的危險(xiǎn)，如上所述。
相同的問(wèn)題也出現(xiàn)在根據(jù)DK166974B1的系統(tǒng)，其因此不能消除組運(yùn)行時(shí)間差的問(wèn)題。此外，這兩種系統(tǒng)都因具有幾個(gè)開(kāi)關(guān)和放大器而相對(duì)復(fù)雜。
由本申請(qǐng)人申請(qǐng)的DE10048959A1公開(kāi)了一種用于兩個(gè)超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路，其改善了由于部件公差、不同溫度系數(shù)等等引起的兩個(gè)這種電路之間不同的問(wèn)題，同時(shí)意味著簡(jiǎn)化了所采用的電路。該發(fā)送和接收電路包括兩個(gè)電路布置，每個(gè)都由包含一個(gè)超聲換能器和一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的串聯(lián)連接組成。發(fā)生器信號(hào)傳送到放大器的第一輸入終端(正輸入終端)，而開(kāi)關(guān)裝置連接到第二輸入終端(負(fù)輸入終端)。在不同的實(shí)施方式中，電路布置直接與基準(zhǔn)電位或與放大器輸出端連接。該布置只用一個(gè)所述類型的發(fā)送和接收電路實(shí)現(xiàn)了雙向超聲波信號(hào)發(fā)送，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)裝置可選擇地將其中一個(gè)超聲換能器功能性地與第一輸入終端連接。利用示出的布置，部件公差、不同的溫度系數(shù)等等對(duì)于兩個(gè)相反方向上的超聲波傳輸是相同的，從而信號(hào)在電路本身中的組運(yùn)行時(shí)間對(duì)于兩個(gè)相反方向上的超聲波傳輸是相等的。這既可應(yīng)用于固定的又可用于可變的組運(yùn)行時(shí)間差，固定差只是由部件公差引起的，而可變的差是由依賴于溫度的參數(shù)引起的。如果將固定組運(yùn)行時(shí)間差消除到0，則可以避免零點(diǎn)校準(zhǔn)/調(diào)整，這減少了可能的誤差并節(jié)約了時(shí)間。為了遵守例如權(quán)威的認(rèn)可，依賴于溫度的組運(yùn)行時(shí)間差必須保持在已建立的限制內(nèi)。在第一方向發(fā)送超聲波信號(hào)時(shí)，電路通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置與第一超聲換能器連接，而信號(hào)發(fā)送到該換能器并轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。接著，電路轉(zhuǎn)換為與另一個(gè)接收信號(hào)的超聲換能器連接，這在該電路接收來(lái)自第一換能器的超聲波信號(hào)時(shí)發(fā)生。在相反方向發(fā)送超聲波信號(hào)時(shí)，電路首先與用于發(fā)送的第二換能器連接，然后與用于接收的第一換能器連接。
但是利用DE10048959A1中的實(shí)施方式的結(jié)果是，存在從發(fā)生器到接收換能器的信號(hào)耦合的問(wèn)題，且換能器的衰減時(shí)間也存在問(wèn)題。在超聲換能器作用為發(fā)射器之后不久，發(fā)送到該換能器的信號(hào)被控制裝置通過(guò)上述開(kāi)關(guān)裝置中斷。但是，超聲換能器在轉(zhuǎn)換后仍然振蕩一段時(shí)間，且該振蕩時(shí)間取決于換能器設(shè)計(jì)。換能器由典型的鋼制成的外罩組成，其中設(shè)置了通過(guò)外罩內(nèi)的窗口進(jìn)行發(fā)射的水晶。通常，由于厚鋼窗適應(yīng)了水晶振蕩，因此具有厚鋼窗的換能器往往比具有薄鋼窗的換能器振蕩更長(zhǎng)的時(shí)間，且該振蕩的結(jié)果是與接收換能器電耦合，這將改變測(cè)量信號(hào)。
原理上，該問(wèn)題可以通過(guò)只采用一個(gè)薄壁換能器來(lái)解決，但是厚壁換能器是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈儗?duì)腐蝕效應(yīng)、介質(zhì)的壓力(真空也是一樣)、氣蝕和流體顫動(dòng)的抵抗能力更強(qiáng)。采用厚壁窗口使得自我支撐(selfbearing)的設(shè)計(jì)以及用于比換能器中采用減輕的壓電陶瓷時(shí)可能獲得的更高壓力的設(shè)計(jì)成為可能。
DE19810798A1公開(kāi)了一種減小發(fā)生器信號(hào)耦合和減小超聲換能器振蕩效應(yīng)的解決方案。在接收電路中和發(fā)送電路中插入短路開(kāi)關(guān)。該短路開(kāi)關(guān)由將振蕩信號(hào)和耦合的發(fā)生器信號(hào)引導(dǎo)到地面的控制布置控制。但是，該電路采用分離的發(fā)送和接收電子線路，因此具有兩條不同的發(fā)送和接收信號(hào)的信號(hào)路徑。由此，無(wú)法自動(dòng)給出互易，必須如DE19810798A1所述通過(guò)實(shí)施一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)做到。這增加了電路的復(fù)雜度，并且需要大量的短路、發(fā)送和接收開(kāi)關(guān)來(lái)獲得互易并減小耦合和振蕩效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種更為簡(jiǎn)單的發(fā)送和接收電路用于超聲流量計(jì)，其中該電路具有完全的互易，且實(shí)質(zhì)上不被超聲換能器的衰減周期中產(chǎn)生的振蕩所影響。另一個(gè)目的是減小來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)的耦合，該信號(hào)本來(lái)是發(fā)送到發(fā)送換能器，卻耦合到接收換能器。
在如權(quán)利要求1前序部分所述的發(fā)送和接收電路中，上述任務(wù)是這樣解決的，即，該發(fā)送和接收電路包括一個(gè)放大器，在第一輸入端接收逆流和順流的超聲波信號(hào)并在第二輸入端接收發(fā)生器信號(hào)，其中所述放大器具有從該放大器的輸出端連接到其第一輸入端的負(fù)反饋?zhàn)杩梗渲性撾娐凡贾门c第二阻抗連接，且短路開(kāi)關(guān)連接到運(yùn)送發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的電導(dǎo)體。
本發(fā)明是基于這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)，即開(kāi)關(guān)具有在開(kāi)關(guān)的關(guān)閉周期內(nèi)激活的寄生電容，其導(dǎo)致不期望的與測(cè)量換能器的電耦合。該電容具有影響測(cè)量結(jié)果的幅度，且可以認(rèn)為該電容在開(kāi)關(guān)裝置關(guān)閉時(shí)與其并聯(lián)。當(dāng)換能器產(chǎn)生振蕩，也就是說(shuō)，當(dāng)外罩即使在信號(hào)分離的情況下機(jī)械振動(dòng)時(shí)，換能器中的水晶產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置中的寄生電容發(fā)送到放大器的輸入端和接收換能器。由此，衰減的換能器作用為發(fā)送和接收電路中的附加信號(hào)發(fā)生器。
本發(fā)明還解決了其它問(wèn)題，即在發(fā)送期間本來(lái)發(fā)送到發(fā)送換能器的來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)、卻通過(guò)電容發(fā)送到接收換能器的不期望的耦合。耦合信號(hào)由關(guān)閉的短路開(kāi)關(guān)解耦合。
因此本發(fā)明提供了完全的互易和有效的干擾信號(hào)的解耦合。通過(guò)在每個(gè)電路布置中只采用一個(gè)短路開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到。該短路開(kāi)關(guān)連接到既將發(fā)送信號(hào)從放大器運(yùn)送到超聲換能器，又將接收信號(hào)從超聲換能器運(yùn)送到放大器的電導(dǎo)體。與現(xiàn)有技術(shù)相反，只有一個(gè)信號(hào)路徑需要解耦合。
換能器振蕩和發(fā)生器信號(hào)耦合的影響都引起測(cè)量信號(hào)的時(shí)間偏移，且換能器的衰減時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)關(guān)裝置在關(guān)閉狀態(tài)下絕緣的要求也越高。
優(yōu)選的，每個(gè)電路布置都包括第一和第二串聯(lián)連接，它們實(shí)際上由開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器組成。在包括超聲換能器和開(kāi)關(guān)裝置的串聯(lián)連接的電路布置中采用本發(fā)明的結(jié)果是特別有利。通過(guò)將短路開(kāi)關(guān)連接到超聲換能器和開(kāi)關(guān)裝置的串聯(lián)連接中，既可以短路掉水晶產(chǎn)生的不期望的發(fā)生器電壓，又可以通過(guò)寄生電容分離信號(hào)路徑。如已提到的，這通過(guò)在整個(gè)或部分周期中打開(kāi)短路開(kāi)關(guān)來(lái)做到，其中在所述周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于該開(kāi)關(guān)的超聲換能器必須未激活，也就是說(shuō)不產(chǎn)生超聲波信號(hào)。
短路開(kāi)關(guān)具有兩個(gè)電極，在第一開(kāi)關(guān)上的第一電極電連接到第一串聯(lián)連接，第二短路開(kāi)關(guān)上的第一電極電連接到第二串聯(lián)連接。
優(yōu)選的，短路開(kāi)關(guān)的第一電極連接到開(kāi)關(guān)裝置的其中一個(gè)電極上，因?yàn)檫@通過(guò)寄生電容有效地解除了信號(hào)的耦合。如果在超聲換能器和開(kāi)關(guān)裝置之間的串聯(lián)連接中插入一個(gè)阻抗，則連接點(diǎn)的問(wèn)題尤其重要。在這種情況下，短路開(kāi)關(guān)的第一電極連接到開(kāi)關(guān)裝置優(yōu)選為連接到超聲換能器的電極。
串聯(lián)連接的一端可以連接到第二阻抗的空閑端，而另一端則連接到基準(zhǔn)電位。如上所述，在開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)電極和一個(gè)換能器電極之間的中點(diǎn)上連接短路開(kāi)關(guān)的一個(gè)電極會(huì)導(dǎo)致有效的解耦合，因?yàn)閺男盘?hào)發(fā)生器到接收換能器的一個(gè)耦合路徑(信號(hào)發(fā)生器正在發(fā)送)，以及從振蕩的發(fā)送換能器到接收換能器的另一耦合路徑(信號(hào)發(fā)生器不活動(dòng))都被解耦合。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，串聯(lián)連接與反饋?zhàn)杩共⒙?lián)，短路開(kāi)關(guān)的一個(gè)電極電連接到超聲換能器和對(duì)應(yīng)于短路開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)裝置之間的中點(diǎn)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，第二阻抗分為兩個(gè)串連的阻抗，每個(gè)都插入到開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器之間的串聯(lián)連接中。然后該串聯(lián)阻抗作用為超聲換能器上的負(fù)載，且通過(guò)選擇合適的阻抗大小，振蕩信號(hào)會(huì)衰減得更快。
在該實(shí)施方式中，短路開(kāi)關(guān)可以設(shè)置為與超聲換能器并聯(lián)，但如果其電極連接到串聯(lián)阻抗和開(kāi)關(guān)裝置之間的中點(diǎn)則效果更好，因?yàn)轳詈系陌l(fā)生器信號(hào)遇到了更大的阻抗。但是選擇短路開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)是一個(gè)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，并取決于振蕩產(chǎn)生的信號(hào)的幅度與耦合的發(fā)生器信號(hào)的幅度之比。
開(kāi)關(guān)裝置可以由兩個(gè)串連的開(kāi)關(guān)以及連接在這兩個(gè)開(kāi)關(guān)的共同連接點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的第三開(kāi)關(guān)組成。其優(yōu)點(diǎn)是增加了阻尼，因?yàn)椴黄谕男盘?hào)必須通過(guò)兩個(gè)其中點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)去耦合的寄生電容。
至于電壓電位，基準(zhǔn)點(diǎn)優(yōu)選地設(shè)置在地面或虛擬地面上，但也可以是直流電壓電平。
為了阻塞應(yīng)用在電路布置中、并確保向開(kāi)關(guān)裝置提供工作電壓的直流電壓，可以與短路開(kāi)關(guān)串聯(lián)地插入一個(gè)電容。
即使在包括開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器的串聯(lián)連接的電路布置中獲得最佳阻尼效應(yīng)，本發(fā)明也可以用于換能器不同連接的情況。這特別應(yīng)用于發(fā)送接收電路類型，其中兩個(gè)超聲換能器設(shè)置在第一串聯(lián)連接中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置連接在第二串聯(lián)連接中，該兩個(gè)串聯(lián)連接并聯(lián)設(shè)置并在第一串聯(lián)連接和第二串聯(lián)連接的中點(diǎn)互相電連接。根據(jù)本發(fā)明，短路開(kāi)關(guān)可以設(shè)置為與每個(gè)換能器串聯(lián)，但是電路不象上述電路那樣通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置的寄生電容解除發(fā)生器信號(hào)的耦合。
為了控制開(kāi)關(guān)裝置和短路開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間，優(yōu)選使相同的控制裝置控制該順序過(guò)程。ASIC或微控制器可以用作控制裝置。


在下面的詳細(xì)說(shuō)明中，參照根據(jù)本發(fā)明的用于超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路的實(shí)施方式解釋本發(fā)明，附圖中示出了圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路略圖，其中兩個(gè)超聲換能器都具有一個(gè)連接到基準(zhǔn)電位的終端和一個(gè)通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置連接到放大器上的第一輸入終端的終端。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的第二實(shí)施方式，其中與開(kāi)關(guān)裝置串聯(lián)的兩個(gè)超聲換能器與放大器的反饋連接并聯(lián)。
圖3是實(shí)際上對(duì)應(yīng)于圖2的現(xiàn)有技術(shù)中的第三實(shí)施方式，其中開(kāi)關(guān)裝置與每個(gè)換能器并聯(lián)用于短路未使用的換能器，且換能器串聯(lián)在放大器的第一輸入終端和輸出終端之間。
圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施方式，其中開(kāi)關(guān)與超聲換能器并聯(lián)。該圖也示出了控制裝置和微分單元。
圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施方式，其中每個(gè)短路觸點(diǎn)與包括一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置、一個(gè)阻抗和一個(gè)超聲換能器的串聯(lián)連接并聯(lián)。
圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施方式，其中短路開(kāi)關(guān)與超聲換能器并聯(lián)地連接到放大器上的虛擬地面。
圖7是按照?qǐng)D4中的實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)情況順序圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的發(fā)送和接收電路包括放大器1，其具有第一倒相輸入終端用于連接超聲換能器TR1、TR2，該連接通過(guò)阻抗Z1和開(kāi)關(guān)裝置S1、S2建立。在這里S1和TR1形成第一串聯(lián)連接，而S2和TR2形成第二串聯(lián)連接。第二非倒相輸入終端與信號(hào)源連接，以被控制的方式產(chǎn)生電信號(hào)用于發(fā)送到超聲換能器TR1、TR2。反饋連接通過(guò)阻抗Z2建立在輸出終端和倒相輸入終端之間。放大器1的輸出終端也與檢測(cè)裝置連接(未示出)，用于導(dǎo)出用于計(jì)算期望的測(cè)量流的傳送時(shí)間量度。
該電路示出的功能如下在從TR1至TR2的發(fā)送期間，S1關(guān)閉，信號(hào)源向電路提供合適的電信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)放大器1、阻抗Z1和Z2以及開(kāi)關(guān)S1發(fā)送到換能器TR1。發(fā)生器信號(hào)持續(xù)時(shí)間為大約10微秒。在從TR1發(fā)送超聲波信號(hào)之后、TR2接收到該信號(hào)之前一段合適的時(shí)間(大約20微秒)內(nèi)，S1斷開(kāi)且S2閉合以便在TR2上接收信號(hào)。TR2接收的信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)S2和阻抗Z1、Z2發(fā)送到放大器1，用于發(fā)送到在放大器1輸出端的微分單元。在從TR2發(fā)送到TR1時(shí)，S2閉合，在發(fā)送超聲波信號(hào)之后、該信號(hào)到達(dá)TR1之前一段合適的時(shí)間內(nèi)，S2斷開(kāi)而S1閉合以便TR1接收超聲波信號(hào)。這說(shuō)明無(wú)論給定的換能器是在發(fā)送還是在接收，S1和S2的位置始終相同，且該換能器始終遇到一個(gè)恒定的阻抗，該阻抗實(shí)際上對(duì)應(yīng)于閉合的開(kāi)關(guān)S1、S2和Z1的阻抗。
放大器中的組運(yùn)行時(shí)間差被消除，因?yàn)橄嗤姆糯笤糜趦蓚€(gè)換能器，開(kāi)關(guān)S1、S2中的組運(yùn)行時(shí)間差也被消除，因?yàn)閮蓚€(gè)開(kāi)關(guān)都是信號(hào)路徑的一部分，這與發(fā)送方向無(wú)關(guān)。
所示電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，假設(shè)一個(gè)理想放大器，無(wú)論連接的換能器是在發(fā)送還是在接收，該放大器倒相輸入端的虛擬地面都具有0歐姆的阻抗，這意味著換能器要遇到對(duì)應(yīng)于Z1的一恒定阻抗外加相關(guān)開(kāi)關(guān)S1、S2的阻抗。采用非理想放大器，則虛擬地面點(diǎn)的阻抗具有一最終值，其取決于放大器、Z1、Z2的開(kāi)環(huán)輸出阻抗、在換能器工作的頻率范圍內(nèi)的換能器阻抗和放大器的開(kāi)環(huán)增益。通常，換能器的負(fù)載是不同的，但是會(huì)保持互易，因?yàn)樵撠?fù)載從發(fā)送到接收模式都是恒定的。常用的換能器頻率范圍在大約40KHz到幾MHz之間。
所示開(kāi)關(guān)裝置S1和S2在實(shí)踐中制作成集成的C-MOS開(kāi)關(guān)，但是也可以采用其它實(shí)施方式，例如離散FET晶體管。但是，不同實(shí)施方式的共同之處已在前面描述過(guò)，是不期望的斷開(kāi)(OFF)電容。該寄生電容典型地在0.1至10pF的范圍內(nèi)。
對(duì)于圖1所示的實(shí)施方式，圖2和3中示出的其它電路例子都具有換能器必須與基準(zhǔn)電位分離的缺點(diǎn)。圖2中所示的實(shí)施方式具有與圖1所示的實(shí)施方式完全相同的功能，因?yàn)閷?duì)開(kāi)關(guān)S1、S2的要求對(duì)兩個(gè)電路都相同，即開(kāi)關(guān)閉合時(shí)阻抗適中，而開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)阻尼很大。圖3所示的另一例子在實(shí)踐中更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠湫枰_(kāi)關(guān)在閉合情況下的阻抗相當(dāng)?shù)匦∮趽Q能器阻抗，以避免串線。由于換能器阻抗典型地位于小于幾百歐姆的范圍內(nèi)，這可能是個(gè)問(wèn)題，但是可以通過(guò)在每個(gè)換能器支路中插入串聯(lián)電阻來(lái)解決。
即使圖中的換能器表示為純換能器水晶，當(dāng)然也能理解它們潛在地包括無(wú)源的串聯(lián)和并聯(lián)阻抗和可能的用于電流分離的信號(hào)變壓器。此外，該電路只顯示了兩個(gè)換能器，但實(shí)際上，從2到N個(gè)換能器都可能滿足測(cè)量具有多個(gè)路徑的管道的要求。
圖4示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式。對(duì)于圖1，兩個(gè)短路開(kāi)關(guān)S3和S4已添加到電路中。和其他開(kāi)關(guān)一樣，這些開(kāi)關(guān)優(yōu)選地制作成CMOS開(kāi)關(guān)。S3的第一電極10連接在開(kāi)關(guān)裝置S1和換能器TR1之間的點(diǎn)P1上。點(diǎn)P1是與運(yùn)送換能器發(fā)送的信號(hào)和發(fā)送到該換能器的信號(hào)的導(dǎo)體的連接點(diǎn)。短路開(kāi)關(guān)的另一個(gè)電極11連接到基準(zhǔn)電位，優(yōu)選為地面。術(shù)語(yǔ)“電極”在這里表示終端。通過(guò)導(dǎo)線6和7，控制裝置2控制開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合時(shí)間，其中控制裝置2通過(guò)控制導(dǎo)線5連接到發(fā)生器4，該發(fā)生器發(fā)送近似正弦波形的1MHz信號(hào)到放大器1的輸入端3。放大器1在這里表示為微分單元12的一部分，微分單元12根據(jù)超聲波信號(hào)和計(jì)算裝置13(未詳細(xì)示出)確定的傳送時(shí)間計(jì)算流Q的幅度。控制裝置通過(guò)連接14同步。如上所述，當(dāng)S1閉合S2斷開(kāi)時(shí)，信號(hào)通過(guò)Z2和Z1發(fā)送到TR1。S1由控制裝置保持閉合一段明確定義的時(shí)間，在該時(shí)間后S1斷開(kāi)S2閉合。同時(shí)，在S1斷開(kāi)時(shí)，短路開(kāi)關(guān)S3閉合，從而可以將來(lái)自TR1的有妨礙的發(fā)生器電壓解耦合到地面。
上述過(guò)程在具有開(kāi)關(guān)裝置S2和短路開(kāi)關(guān)S4的相對(duì)一側(cè)重復(fù)。電路TR1、S1和S3可以看作由第一串聯(lián)連接15組成的第一電路布置，該第一串聯(lián)連接包括S1和TR1，而TR2和S2組成第二電路布置中的第二串聯(lián)連接。
在電路布置中采用S3和S4并如上所述控制它們會(huì)打破不期望的、從TR1經(jīng)過(guò)寄生電容耦合并通過(guò)S1到達(dá)節(jié)點(diǎn)K的電信號(hào)(圖4)，在節(jié)點(diǎn)K處，當(dāng)TR2在發(fā)送模式時(shí)錯(cuò)誤信號(hào)被添加到來(lái)自發(fā)生器4的信號(hào)。產(chǎn)生的信號(hào)使TR2產(chǎn)生的超聲波信號(hào)發(fā)生相位偏移，由此產(chǎn)生有關(guān)逆流和順流超聲波信號(hào)之間實(shí)際時(shí)間差的時(shí)間偏移。
開(kāi)關(guān)裝置S1在這里示為一個(gè)單獨(dú)的開(kāi)關(guān)，但實(shí)際上優(yōu)選地是采用兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)與一個(gè)第三開(kāi)關(guān)，其中第三開(kāi)關(guān)的一個(gè)電極連接到該兩個(gè)開(kāi)關(guān)的連接線上，另一個(gè)電極連接到地面。換句話說(shuō)，第三開(kāi)關(guān)是短路開(kāi)關(guān)S3。目前，這樣的在一個(gè)外罩中的T型開(kāi)關(guān)可以購(gòu)買到。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是顯著提高了對(duì)不期望信號(hào)的阻尼，因?yàn)楝F(xiàn)在信號(hào)必須通過(guò)兩個(gè)在它們之間具有連接到地面的解耦的斷開(kāi)電容。
S3和S4的基準(zhǔn)點(diǎn)17首先是地面或虛擬地面，但也可以是直流電壓。為了斷開(kāi)直流電壓，可以與S3串聯(lián)地插入一個(gè)電容。
微分單元12示為只包括一個(gè)放大器，但原理上也可以包括兩個(gè)放大器，一個(gè)作用為信號(hào)發(fā)送器，另一個(gè)作用為超聲波信號(hào)接收器，發(fā)送器的輸出端電連接到接收器的輸入端。然后開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器的兩個(gè)串聯(lián)連接連接到發(fā)送器的輸出端，其同時(shí)也是接收器的輸入端。
圖7示出了圖4中所示設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)裝置和短路開(kāi)關(guān)位置的順序圖。圖7a中示出了控制裝置向發(fā)生器4發(fā)送的信號(hào)，在時(shí)刻t0打開(kāi)發(fā)生器，其一直發(fā)送到時(shí)刻t1，這段時(shí)間可以在0.5到200μs之間變化。在這段時(shí)間S1閉合(ON)。在例如停止發(fā)生器之后20μs的時(shí)刻t2，S1斷開(kāi)，同時(shí)如圖7d所示，S3由控制裝置閉合，以盡可能快地停止超聲換能器TR1的振蕩。圖7e示出了S4的對(duì)應(yīng)過(guò)程。同時(shí)示出開(kāi)關(guān)裝置S1和短路開(kāi)關(guān)S4遵循相同的順序。
圖5示出了圖4的另一實(shí)施方式，因?yàn)樽杩筞1分為兩個(gè)阻抗Z1’和Z2’。現(xiàn)在，短路開(kāi)關(guān)S3沒(méi)有連接在Z1’和TR1之間，而是在Z1’之上連接在Z1’和開(kāi)關(guān)裝置S1之間。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是如果換能器具有合適選擇的阻抗，則該換能器的振蕩會(huì)衰減得更快。通常，阻抗是歐姆電阻，在本實(shí)施方式中它們對(duì)Z1’和Z2’是100歐姆，對(duì)Z3是200歐姆。阻抗Z1’和Z2’可以是分離部件，但也可以看作超聲換能器的內(nèi)在阻抗的一部分。
圖6示出了與反饋?zhàn)杩筞2并聯(lián)的、開(kāi)關(guān)裝置和換能器的串聯(lián)連接，以及分別與TR1和TR2并聯(lián)地連接到放大器虛擬地面的短路開(kāi)關(guān)S3和S4。
同時(shí)在圖3示出的電路中，短路開(kāi)關(guān)可以通過(guò)與TR1串聯(lián)地插入第一開(kāi)關(guān)和與TR2串聯(lián)地插入第二開(kāi)關(guān)(這些開(kāi)關(guān)在圖中未示出)來(lái)插入。這里，S1和TR2可以看作第一電路布置，TR1和S2看作第二電路布置。如果S1閉合并通過(guò)TR2發(fā)送發(fā)生器信號(hào)，則未示出的與TR1串聯(lián)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由此阻塞了TR1的信號(hào)路徑。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路，該電路包括一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和至少兩個(gè)電路布置((S1，TR1，S3)，(S2，TR2，S4))，每個(gè)電路布置都包括一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置(S1，S2)、一個(gè)超聲換能器(TR1，TR2)和一個(gè)短路開(kāi)關(guān)(S3，S4)，通過(guò)所述開(kāi)關(guān)裝置將發(fā)生器信號(hào)提供到所述超聲換能器，其特征在于，-該發(fā)送和接收電路包括一個(gè)放大器(1)，其在第一輸入端(-)接收逆流和順流的超聲波信號(hào)并在第二輸入端(+)接收發(fā)生器信號(hào)；-所述放大器具有從該放大器的輸出端連接到其第一輸入端的負(fù)反饋?zhàn)杩?Z2)；-所述電路布置與第二阻抗(Z1)連接，且所述短路開(kāi)關(guān)連接到一個(gè)運(yùn)送發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的電導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述在一個(gè)電路布置中的開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器形成第一串聯(lián)連接(15)，所述在第二電路布置中的開(kāi)關(guān)裝置和超聲換能器形成第二串聯(lián)連接(16)。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，第一短路開(kāi)關(guān)(S3)上的第一電極(10)電連接到所述第一串聯(lián)連接，第二開(kāi)關(guān)(S4)上的第一電極電連接到所述第二串聯(lián)連接，以及這些開(kāi)關(guān)的第二電極(11)電連接到基準(zhǔn)電位(17)。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，開(kāi)關(guān)的第一電極(10)電連接(P1)到開(kāi)關(guān)裝置(S1)的一個(gè)電極。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述第一串聯(lián)連接(15)和第二串聯(lián)連接(16)與所述第二阻抗(Z1)的自由端(K)電連接，以及至少一個(gè)所述開(kāi)關(guān)(S3，S4)的第一電極與開(kāi)關(guān)裝置(S1，S2)和換能器(TR1，TR2)之間的中點(diǎn)(P1)電連接。
6.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述第一串聯(lián)連接(15)和第二串聯(lián)連接(16)與負(fù)反饋?zhàn)杩?Z2)并聯(lián)，以及至少一個(gè)所述開(kāi)關(guān)(S3，S4)的第一電極與開(kāi)關(guān)裝置(S1)和換能器(TR1)之間的中點(diǎn)(P3)電連接。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述第二阻抗(Z1)由兩個(gè)串聯(lián)阻抗(Z1’，Z2’)組成，一個(gè)串聯(lián)阻抗(Z1’)插入到超聲換能器(TR1)與開(kāi)關(guān)裝置(S1)之間的第一串聯(lián)連接(15)中，另一串聯(lián)阻抗(Z2’)插入到超聲換能器(TR2)和開(kāi)關(guān)裝置(S2)之間的第二串聯(lián)連接(16)中。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，至少短路開(kāi)關(guān)(S3，S4)的第一電極與開(kāi)關(guān)裝置(S1)和串聯(lián)阻抗(Z1’)之間的中點(diǎn)(P2)電連接。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)裝置(S1，S2)由總共三個(gè)開(kāi)關(guān)組成，其中兩個(gè)設(shè)置為互相串聯(lián)，第三個(gè)作用為解耦開(kāi)關(guān)(S3)并連接在前兩個(gè)開(kāi)關(guān)的共同連接點(diǎn)和基準(zhǔn)電位之間。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，所述基準(zhǔn)電位是直流電壓或者是具有地面電位或虛擬地面電位的基準(zhǔn)值。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，將一阻抗，尤其是一電容與所述短路開(kāi)關(guān)(S3，S4)串聯(lián)。
12.如權(quán)利要求1所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，該電路包括包含兩個(gè)超聲換能器(TR1，TR2)的第一串聯(lián)連接和包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置(S1，S2)的第二串聯(lián)連接，該兩個(gè)串聯(lián)連接并聯(lián)設(shè)置，并在第一串聯(lián)連接的中點(diǎn)和第二串聯(lián)連接的中點(diǎn)互相電連接，所述短路開(kāi)關(guān)設(shè)置為與每個(gè)超聲換能器串聯(lián)。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)送和接收電路，其特征在于，同一控制裝置(2)控制開(kāi)關(guān)裝置(S1，S2)和短路開(kāi)關(guān)(S3，S4)的斷開(kāi)和閉合時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超聲流量計(jì)的發(fā)送和接收電路。在這種電路中，超聲換能器典型地用作發(fā)射器和接收器。這通過(guò)采用例如CMOS開(kāi)關(guān)形式的開(kāi)關(guān)裝置獲得。但是，當(dāng)換能器作為發(fā)射器時(shí)會(huì)由于振蕩出現(xiàn)問(wèn)題。這種不期望的振蕩使換能器的水晶作用為附加的信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置中的寄生電容耦合到接收超聲換能器。根據(jù)本發(fā)明，該問(wèn)題是通過(guò)將短路開(kāi)關(guān)的一個(gè)電極連接到超聲換能器或連接到開(kāi)關(guān)裝置、而短路開(kāi)關(guān)的另一個(gè)電極連接到地面來(lái)解決的。通過(guò)在開(kāi)關(guān)裝置斷開(kāi)時(shí)保持短路開(kāi)關(guān)閉合，開(kāi)關(guān)裝置閉合時(shí)保持?jǐn)嚅_(kāi)，為不期望的信號(hào)創(chuàng)建了解耦路徑。這提高了發(fā)送和接收電路的精確度。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1575407SQ02821252
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者拉爾斯·杰斯珀森 申請(qǐng)人:西門子流量?jī)x器公司