具有lc濾波器的換能器控制的製作方法
2023-04-30 20:24:36 2
專利名稱：具有lc濾波器的換能器控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制流量測量設備中的超聲波換能器的裝置，其中超聲波換能器施加有正弦信號。
背景技術：
由DE10048959C2公開了一種這種類型的裝置，其中一個運算放大器的非反相輸入端由一個正弦信號來控制，而兩個超聲波換能器中的一個可以通過一個轉換器以選擇方式與所述非反相輸入端相連。
然而在由數字組件構成的換能器控制器中存在這樣的問題即以數位化方式生成正弦信號是花費很大的。另一方面，在用矩形信號控制換能器時，同時激勵換能器、從而由換能器一起傳送的高次諧波分量會出現幹擾，使得測量信號出現錯誤。此外，在短脈衝串的情況下，不希望用包含直流電壓分量的信號來控制這種換能器，因為靜止信號通常在工作電壓極值中之一的情況下具有一個平均值，而脈衝串信號的平均值介於多個工作電壓極值之間，因此這裡會疊加一個階躍函數。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種用於控制流量測量設備中的超聲波換能器的裝置，它不僅廉價，而且允許換能器僅僅以很小的測量誤差來工作。
該任務通過權利要求1中所給出的特徵來解決。本發明的改進在從屬權利要求中描述。根據本發明，在控制由數字組件構成的超聲波換能器時，優選地藉助於一個諧振電路，最好是LC振蕩迴路形式的諧振電路，不僅能夠對進行控制的正弦信號進行濾波，而且還能實現對直流電壓的抑制。
在本發明中，特別具有優點的是從控制信號中濾除高次諧波，並且通過並聯振蕩迴路線圈來抑制換能器上的直流電壓分量。此外可以改善傳輸路徑的效率，因為在計算LC元件時可以對至換能器的傳導電纜的電容以及換能器本身的電容加以考慮。由於LC元件的濾波作用，也可以顯著提高接收信號的信噪比和品質因數。
另外，本發明還涉及——以及要求保護——一種用於根據傳播時間原理的超聲波流量測量計中的信號處理的裝置。本發明的這種實施方案的特點在於，為了控制超聲波換能器裝置而設置了一個網絡。所述超聲波換能器裝置包括第一個第一超聲波換能器和一個第二超聲波換能器。此外還設置了開關裝置，藉助於這些開關裝置使得所述第一和第二超聲波換能器能夠以選擇方式切換到發送操作狀態或接收操作狀態，並且所述網絡具有一個電振蕩迴路，它在相應的超聲波換能器的發送操作狀態及接收操作狀態下用作頻率濾波器。除此之外，上述實施方案還確保了在相應超聲波換能器的接收操作狀態下，由該超聲波換能器生成的電信號被放大。
本發明一方面能夠在很大程度上抑制由數字組件產生的、作為控制信號的數字矩形信號中的不希望的高次諧波分量，從而避免了在水中產生不希望的聲波組成分量。此外，超聲波換能器不僅能夠在發送模式下工作，還能在接收模式下工作，其中對超聲波信號的方向判別取決於兩個超聲波換能器支路短接的順序。其中所述網絡用於在相關超聲波換能器的發送操作狀態下通過網絡中包含的振蕩迴路來實現頻帶選擇或帶寬選擇，同時保證了在比較器上出現的電壓比具有簡單組件的超聲波換能器的電壓要高。
符合目的的是，為了實現振蕩迴路的轉換，為每個超聲波換能器分配了一個C元件，此外設置了一個共用的L元件，使得各個C元件和所述L元件分別根據切換狀態構成振蕩迴路。一種這樣的電路同樣用電路技術中很簡單的裝置來實現。
符合目的的是，所述開關裝置直接對應於每個超聲波換能器。
使所述網絡通過一個T形電路與信號導線和比較器的一個輸入端相連接，其中所述T形電路的垂直支路的延長部分具有L元件，而所述T形電路的相應的橫向走向的部分具有相應的C元件、所述開關、以及相應的超聲波換能器，從而確保了有效降低損耗。根據開關位置，相應的C元件從而與激活的超聲波換能器一起構成了一個串聯或並聯電路。所述L元件加上多個電容構成了一個振蕩迴路。
為了進行優化，即為了對前面描述的裝置進行補償，所述網絡附帶地具有另一個與L元件並聯的C元件。從而在設計T形電路中的C元件的大小時得到了更高的自由度。
符合目的的是，所述網絡被如此設計使得它通過信號導線與所述網絡的控制信號的基波形成諧振，以實現最佳的選擇效果。
根據本發明的另一個實施方式，為了控制比較器，在所述比較器的輸入端處施加了一個對稱電壓，其中輸入電壓的總幅值與所述網絡上的輸入電壓相比增大或者倍增。
具體地說，上述裝置具有一個由附加的C元件和L元件構成的串聯電路。其中這個串聯電路與C元件和L元件(T形電路中垂直支路的延長部分)並聯連接。所述比較器的第二個輸入端通過所述串聯電路得到控制。所述串聯電路一方面通過阻抗變換進行電壓放大，另一方面可以改變至比較器的導線範圍內電壓的符號。
所述網絡最好是一個無源網絡，在超聲波換能器的發送操作或接收操作方面具有互易性。
本發明最後還涉及一種根據傳播時間原理的超聲波流量測量計，具有一定測量距離、用於發送和接收超聲波信號的裝置、以及用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號處理的裝置。
經過所述測量距離到達換能器的超聲波信號被轉換成電壓信號。由於換能器的工作電壓對於信號的進一步分析來說過低，因此所述電壓信號被增大，並被送至進一步的信號分析。為了提高電壓，通常採用具有不同缺點的集成半導體元件。它們一方面具有可能對測量結果造成不利影響的非線性特性，另一方面在增大要分析的電壓信號的同時還會增大噪聲。此外，這種類型的半導體元件比較昂貴。另外半導體元件還始終和較高的耗電相關。
本發明的目的還在於提供一種超聲波流量測量計，它能夠提供品質因數改善了的電壓信號用於分析，同時能夠降低其製造成本。
在所述類型的超聲波流量測量計中上述任務這樣來解決設置了一個振蕩迴路作為用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號分析的裝置，該振蕩迴路與一個比較器或運算放大器相連接。本發明的構思在於，選擇一個與所述振蕩迴路固有的諧振頻率有關的頻率範圍，僅僅對該頻率範圍進行放大。從而提高了與有效信號相對應的頻率範圍，而抑制了沒有與有效信號相對應的頻率範圍，例如噪聲。只有由此選出的有效信號頻率分量才被送去放大。這樣，與現有技術相比顯著提高了被送去做進一步信號分析的電壓信號的品質因數，同時實現了電路技術上的措施以確保該振蕩迴路與目前所使用的半導體組件相比具有較低的成本。
為了實現本發明，最好可以採用LC(電感、電容的組合)或者RLC(電阻、電感、電容的組合)電路，它們根據電路構成了串聯迴路、並聯迴路或者PI濾波器。輸出信號可以通過有利的方式從電感的兩端分接出來。這裡出現了由於諧振而增大了的輸出電壓，此外通過這種方式保證了在兩個比較器輸入端施加了相同的直流偏壓。
在電感處的電壓增大、由驅動電壓源或輸出負載而造成阻抗負荷、以及噪聲帶限制方面，所有這三種電路均具有其獨特的特性。此外，在所有這三種電路中，不僅考慮到了實際使用的電阻，還考慮到了電感和電容的損耗電阻。
所有這些電路也有共同之處，即諧振頻率通過對電感和電容的取值和配置、以及在較小的程度上還通過所有的實阻抗來確定，並有意地設定。
下面藉助附圖詳細說明本發明的符合目的的實施例。如圖所示
圖1 本發明的第一個實施例，其中與超聲波換能器相連的諧振電路被設計為並聯振蕩迴路，圖2 作為串聯振蕩迴路的諧振電路的另一個實施例，圖3 選擇性地將設計為並聯振蕩迴路的諧振電路分別接入到多個超聲波換能器中的一個上的例子，圖4 本發明的另一個實施例，其中為了控制超聲波換能器裝置設置了一個網絡，圖5 本發明的根據圖4所示的實施例的一種改進，其中在比較器的控制範圍內設置了一個附帶的由C元件及L元件構成的串聯電路，圖6 根據本發明實現電壓升高的串聯振蕩迴路的一種方案，圖7 根據本發明實現電壓升高的串聯振蕩迴路的另一種方案，圖8 根據本發明實現電壓升高的並聯迴路的一種方案，以及圖9 根據本發明實現電壓升高的PI濾波器的方案。
具體實施例方式
根據圖1，一個放大器2在其輸出端將一個控制信號通過串接電阻4傳送到一個超聲波換能器6，並且與該超聲波換能器並聯地設置有一個由電感8和電容10組成的LC並聯振蕩迴路形式的諧振電路。這個振蕩迴路從經由串接電阻4所傳送的信號中濾出與其諧振頻率相對應的正弦振蕩，然後將其作為控制信號傳送給超聲波換能器6，而正弦信號的高次諧波被導出，使其遠離換能器6。形成電感8的線圈的較小的歐姆電阻實際上對於換能器6上的控制信號的直流電壓分量來說表現為短路，使得換能器像所希望的那樣僅施加有交流電壓信號。
在根據圖2的實施例中，諧振電路被設計為串聯LC振蕩迴路，其電感8仍然與超聲波換能器6並聯，而電容10以及串接電阻4位於控制信號的導線內。這種串聯振蕩迴路也從控制信號濾出用於控制超聲波換能器6的所需正弦信號，而不希望有的高次諧波得到抑制。
根據圖3的實施例示出了藉助一個轉換開關32為多個超聲波換能器6a、6b多次利用同一個振蕩迴路8、10的可能性。根據其位置，振蕩迴路8、10切換到換能器6a或者換能器6b。通過這種方式，可以省去一個線圈和一個電容器，同時改善了這兩個換能器之間的隔離性。此外還改善了這兩個換能器之間的對稱性，因為它們都使用了相同的振蕩迴路。
當放大器2具有足夠高的輸出阻抗時，串接電阻4在某些情況下也可以省去。
圖4以簡化的示意圖示出了用於信號處理的裝置，其中設置了一個用附圖標記25來表示的無源網絡，它通過一個T形電路23來控制一個超聲波換能器裝置。信號線26通過電阻22連接到所述網絡25。通過所述信號線26從一個(未示出的)信號發生器最好傳送一個數字矩形信號。
網絡25與信號線26相連，並且在其兩條支路上以對稱方式分別包括一個C元件16或17。每個C元件16、17與一個換能器12、13相連接。上述兩條電路支路中的每條支路分別包括一個短接線，用於通過位於其中的開關14、15來跨接相應的換能器12、13。在T形網絡10中，元件16、換能器12以及開關14所在的電路支路與C元件17、換能器13以及開關15所在的電路支路並聯連接。
在T形電路23的垂直支路的延長部分中，還有另外一個C元件19以及一個L元件18，它們在網絡25內部同樣並聯連接。
圖4所示裝置的設計使得每個超聲波換能器12或13既可以在發送操作狀態下工作也可以在接收操作狀態下工作。通過以下方式對超聲波信號的傳播方向加以影響在兩個超聲波換能器中的一個換能器12或13處於發送階段時，通過操作相應的開關14或15來實現短接。
超聲波換能器的圖示是簡化了的表示。超聲波換能器12、13還包括其他的無源部件，這些部件在根據圖4的簡化示意圖中出於清楚的原因而沒有給出。
圖4中的整個網絡，包括換能器12和13的阻抗，被如此設定使得網絡10始終以在信號線26上傳播的數字矩形控制信號的基波進行諧振。由此在很大程度上抑制了矩形信號的高次諧波分量，得到了正弦波形的信號，並從而避免了在水中產生不希望的聲波。
在從發送階段向接收階段的轉換過程中，所述短接從要接收信號的超聲波換能器變換到與之相對的要發送信號的超聲波換能器。並且在該階段，由於圖4所示裝置的特別設計，整個網絡25對於進入的超聲波信號產生諧振。
機械超聲波信號首先在接收信號的超聲波換能器中被轉換成電壓，用該電壓為網絡25饋電。這個電信號通過整個網絡25的諧振變換放大後被送至T形電路23的分接點24，並進而被送至比較器11的一個輸入端。比較器11的另一個輸入端連接到一個參考電位。網絡25的輸出信號在這種情況下是非對稱的模式。
根據網絡10的哪條支路被短接，相應被激活的超聲波換能器12或13，包括其相應的C元件16或17，與網絡10的包含C元件19、L元件18、以及另外的C元件16或17的被短接的支路並聯連接。
圖5所示的實施例與圖4所示的實施例相比更進一步，其中比較器11的第二個輸入端通過一個與T形電路23並聯連接、由一個C元件20和一個L元件21組成的串聯電路來控制。這裡的網絡25，包括第一個超聲波換能器12的阻抗、第二個超聲波換能器13的阻抗、以及由C元件20和L元件21組成的串聯電路的阻抗，也這樣來確定使得網絡25始終以數字矩形控制信號的基波進行諧振。
C元件20和L元件21組成的串聯電路並沒有調諧到超聲波頻率上，而是根據設定形成了與網絡25的L元件18和C元件19並聯、並構成網絡10的共用橫向支路的電感和電容。在這種配置中，由C元件20和L元件21組成的串聯電路一方面具有通過阻抗變換使電壓放大的特性，另外還具有能夠改變比較器11的輸出端處電壓符號的特性。
通過相應設定C元件20和L元件21的大小，可以在比較器11的兩個輸入端之間產生一個用於控制比較器11的對稱電壓，同時不需要有源放大、即只利用無源器件就能使比較器11的輸入電壓的總幅值倍增。
在圖4和5所示的兩種電路結構中，網絡25不僅在接收模式下而且在發送模式下構成了一個頻率濾波器，即帶通濾波器，它被調諧到超聲波頻率上。從而可以濾除外部的噪聲和幹擾影響。同時通過採用T形電路23和網絡25的對稱設置，保證了系統的互易性。
圖6示出了一個串聯振蕩迴路1。這裡比較器的直流輸入端電位是地電位，所述串聯迴路由電阻3(R1)、C元件2(C1)和L元件4(L1)以及在圖1中未示出的驅動電壓源的內阻Ri組成。L元件4上的電壓升高作為w0·L1/Rges的商而得到。縮略標記w0是迴路的諧振頻率乘以2·PI，Rges是R1+Ri+Rv的和，其中Rv表示C1和L1的損耗電阻，它被變換為與R1串聯的一個電阻。
圖7與圖6中的電路原理相同，具有以下特性這裡比較器輸入端的直流電位可選擇為與地電位無關。這裡兩個C元件(C2a和C2b)組成的串聯電路決定了頻率。
關於噪聲抑制，圖6和圖7所示的電路不是具有帶通特性，而是具有高通特性，因為在諧振頻率之上，比較器的正輸入端始終強烈耦合到驅動電壓源上，而負輸入端實際上接地。這種電路在諧振頻率以上不具有遠離選擇特性，並作為噪聲帶寬具有對高通的積分。
圖8示出了一種並聯迴路，它通過兩個C元件2c和2d成為一個諧振變換器。比較器5上的直流輸入端電位像L元件4(L3)那樣也處於地電位。輸出端也是連接到L元件4(L3)的連接端。未示出的驅動電壓源與其內阻Ri通過電阻3(R3)連接到2c和2d的連接點。
這裡也可以對所有損耗電阻加以考慮。符合目的的是，這些損耗電阻被轉換為與L3並聯的等效電阻Rp。在已知內阻Ri和已知Rp、C元件2c與2d的關係時，通過確定電阻3(R3)的大小，這裡可以進行在寬範圍內可調的諧振電壓變換。這裡增大的電壓相應出現在L元件4(L3)處。該並聯電路最後可以用一個電流發生器來饋電。則L元件4(L3)處的電壓是饋電電流乘上諧振電阻的乘積。在饋入電流的情況下，省去了R3，並且2c由2d簡化為單一的C元件功能。
對於噪聲抑制，並聯電路要勝過串聯電路，因為其中通過由L3和2c/2d組成的並聯電路構成了一個真正的帶通濾波器，其諧振頻率最大，即形成了復迴路阻抗。這裡噪聲帶寬由構成復迴路阻抗的積分而得出。所述並聯電路從而在諧振頻率之上和之下進行遠離選擇，進而得到小得多的噪聲帶寬。
圖9最後示出了PI濾波器。這裡電路被如此設計即使用的驅動電壓源的直流電位與比較器5的直流輸入端電位相同，所述驅動電壓源通過電阻3(R4)與L元件4(L4)和C元件2(2e)相連。這裡輸出端相應地與L4的連接端相連。
這種PI電路具有特別有用的特性。連接點L4/2e處的增大了的電壓與連接點L4/2f處的電壓反相。理論上，現在兩個比較器輸入端在調節其適當的直流電位時可以使用比較器的完全允許的輸入端擺動，其中通過很大的總體電壓上升還產生了附帶的噪聲降低效果。但是C元件2(2e和2f)處的兩個電壓也可以有目的地設定為不同的幅值，這裡2e與2f之間的關係是起決定性作用的。諧振電壓變換可以和圖8中的電路等效地進行設定。
對於噪聲抑制，這裡給出了和圖8中的並聯電路相同的特性。
為了精確地分析和確定所有可能的電路，符合目的的是，應用複雜的四極理論。從而能夠窮盡描述所有的因素，如頻率特性、相位特性、匹配阻抗以及所有組件的電壓變化，並能夠利用所希望的設定。
應注意到，上面描述的發明組合在表述上由本申請的公開內容所包括。
附圖標記列表2 放大器4 串接電阻6 超聲波換能器8 電感10 電容32 轉換開關1 串聯振蕩迴路2 C元件3 串聯電阻4 L元件5 比較器6 PI濾波器11 比較器12 超聲波換能器13 超聲波換能器14 開關15 開關16 C元件17 C元件18 L元件19 C元件20 C元件21 L元件22 電阻23 T形電路24 分接點
25 網絡26 信號線
權利要求
1.一種用於控制流量測量設備中的超聲波換能器的裝置，其中超聲波換能器施加有正弦信號，其特徵在於，所述超聲波換能器(6)與一個調諧到正弦信號頻率上的諧振電路(8，10)相連接。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述諧振電路(8，10)由LC振蕩迴路構成，所述超聲波換能器(6)與所述振蕩迴路的電感(8)並聯連接。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述振蕩迴路被設計為並聯振蕩迴路(8，10)，所述超聲波換能器(6)與該並聯振蕩迴路並聯。
4.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述振蕩迴路被設計為串聯振蕩迴路(8，10)，所述超聲波換能器(6)與該串聯振蕩迴路的電感(8)並聯，並且該串聯振蕩迴路的電容(10)位於至控制電路(2)的導線內。
5.如以上權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，在至控制電路(2)的導線內設置一個串接電阻(4)。
6.如以上權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，有多個獨立控制的超聲波換能器(6a，6b)，它們可以通過一個轉換開關(12)有選擇地與同一個振蕩迴路(8，10)相連接。
7.用於根據傳播時間原理、尤其是根據以上權利要求1-6中任一項的超聲波流量測量計中的信號處理的裝置，其特徵在於，為控制一個換能器裝置而設置了一個網絡(25)，所述換能器裝置包括一個第一換能器(12)和一個第二換能器(13)，設置了開關裝置(14，15)，藉助於所述開關裝置可以將所述第一和第二換能器(12，13)有選擇地切換到發送操作狀態或接收操作狀態，並且所述網絡(25)具有一個電振蕩迴路，該振蕩迴路在相應超聲波換能器(12或13)的發送操作狀態下以及接收操作狀態下作為頻率濾波器來工作。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，在所述網絡(25)中，為每個超聲波換能器(12，13)分配了一個C元件(16或17)，此外還設置了一個L元件(18)，所述L元件和所述C元件(16或17)一起根據開關狀態構成了一個振蕩迴路。
9.如權利要求7或8所述的裝置，其特徵在於，為每個超聲波換能器(12，13)分配了一個自身的開關裝置(14或15)。
10.如權利要求7-9中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述網絡(25)通過一個T形電路(23)與信號線(26)和比較器(11)的一個輸入端相連接，所述T形電路(23)的垂直支路的延長部分具有所述L元件(18)，而所述T形電路(23)的相應橫向走向的部分具有所述C元件(16或17)、開關(14或15)以及相應的超聲波換能器(12或13)。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，除了網絡(25)之外還設置了另外一個與L元件(18)並聯連接的C元件(19)。
12.如權利要求7-11中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述網絡(25)被如此設計使得該網絡以來自信號線(26)的網絡(25)的控制信號的基波進行諧振。
13.權利要求7-12中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置被如此設定使得為了控制比較器(11)，將一個對稱電壓施加到比較器(11)的輸入端，並與網絡(25)處的輸入電壓相比增大了比較器(11)的輸入端電壓的總幅值，最好是使電壓倍增。
14.權利要求7-12中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置了由一個附加的C元件(20)和一個附加的L元件(21)組成的串聯電路，所述的串聯電路與C元件(19)和L元件(18)並聯連接，並且通過所述串聯電路來控制比較器(11)的第二個輸入端。
15.用於根據傳播時間原理的超聲波流量測量計，具有一定的測量距離、用於發送和接收超聲波信號的裝置、以及特別是如以上權利要求1-14中所述的用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號處理的裝置，其特徵在於，設置了一個振蕩迴路作為所述用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號處理的裝置，並且該振蕩迴路與一個比較器(5)相連接。
16.如權利要求15所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，所述振蕩迴路是一個串聯振蕩迴路(1)。
17.如權利要求15或16所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，所述振蕩迴路是一個並聯迴路。
18.如以上權利要求中任一項所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，所述振蕩迴路由一個PI濾波器來實現。
19.如以上權利要求中任一項所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，所述振蕩迴路由一個LC或RLC電路來實現。
20.如權利要求19所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，在L元件(4)的一端施加工作電壓。
21.如以上權利要求中任一項所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，在L元件(4)的一端施加直流偏壓電位。
22.如以上權利要求中任一項中所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，藉助於電路分析和/或組件的設定可改變所述振蕩迴路的諧振頻率。
23.如權利要求22所述的超聲波流量測量計，其特徵在於，為了改變所述振蕩迴路的諧振頻率，可接入另外的C元件。
全文摘要
本發明涉及一種用於對流量測量設備中的超聲波換能器進行信號處理的裝置，其中超聲波換能器施加有正弦信號，其中所述超聲波換能器(6)與一個調諧到正弦信號頻率上的諧振電路(8，10)相連接。所述諧振電路特別可以是一個網絡(10)的組件，該網絡可以將超聲波換能器(12，13)從發送操作狀態切換到接收操作狀態。本發明還涉及一種根據傳播時間原理的超聲波流量測量計，具有一定測量距離、用於發送和接收超聲波信號的裝置、以及用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號處理的裝置。為了解決本發明的任務，提供了一個超聲波流量測量計，它能提供在品質因數方面得到改善的電壓信號用於分析，同時能降低其製造成本，設置了一個振蕩迴路，尤其是串聯振蕩迴路(1)，作為用於對接收到的超聲波信號進行進一步信號處理的裝置，其中所述振蕩迴路與一個比較器(5)相連接。所述振蕩迴路有利地通過LC電路、PI電路(6)或PLC電路來實現。
文檔編號G01F1/66GK1975347SQ20061013204
公開日2007年6月6日 申請日期2006年10月23日 優先權日2005年10月24日
發明者烏爾裡克·高格勒, 霍斯特·齊格勒, 霍斯特·貝倫 申請人:液體比重計有限公司