专利名称：用于超声流量计的收发器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于超声流量计的发送和接收电路。
背景技术：
在这样的电路中，公知测量逆流和顺流的超声波发送之间的微小时间差需要通过换能器(transducer)发送和接收超声波信号的电路具有极高的对称度，从而信号在电路本身中的组运行时间对于逆流和顺流信号的传输是相同的。还公知负载每个换能器的阻抗从发送状态到接收状态都必须是恒定不变的。如果是这样，则传感器满足互易(reciprocity)的条件。这意味着尤其是，当介质保持静止时传感器逆流和顺流的发送时间是相同的。
该问题在WO94/17371中提出，其中描述了采用两个相同的发送和接收电路，每个换能器一个电路，该换能器包括一个放大器，其具有连接到超声波流换能器的第一输入终端、连接到信号源的第二输入终端、连接到检测电路的输出终端以及输出终端和第一输入终端之间的反馈连接。每个电路都可以作用为发送电路或接收电路，其功能模式通过开关布置或通过在发送和接收功能之间开关两个电路来改变，以便在两个方向上都获得超声波信号的发送。但是，由这两个电路之间的部件公差、不同温度系数等等引起的不同仍然会导致对电路中的信号产生既固定的又依赖于温度的组运行时间差。
DK168248B1公开了一种采用分离的发送和接收电路的系统，由此具有逆流和顺流信号发送的组运行时间不同的危险，如上所述。
相同的问题也出现在根据DK166974B1的系统，其因此不能消除组运行时间差的问题。此外，这两种系统都因具有几个开关和放大器而相对复杂。
由本申请人申请的DE10048959A1公开了一种用于两个超声流量计的发送和接收电路，其改善了由于部件公差、不同温度系数等等引起的两个这种电路之间不同的问题，同时意味着简化了所采用的电路。该发送和接收电路包括两个电路布置，每个都由包含一个超声换能器和一个开关装置的串联连接组成。发生器信号传送到放大器的第一输入终端(正输入终端)，而开关装置连接到第二输入终端(负输入终端)。在不同的实施方式中，电路布置直接与基准电位或与放大器输出端连接。该布置只用一个所述类型的发送和接收电路实现了双向超声波信号发送，因为开关装置可选择地将其中一个超声换能器功能性地与第一输入终端连接。利用示出的布置，部件公差、不同的温度系数等等对于两个相反方向上的超声波传输是相同的，从而信号在电路本身中的组运行时间对于两个相反方向上的超声波传输是相等的。这既可应用于固定的又可用于可变的组运行时间差，固定差只是由部件公差引起的，而可变的差是由依赖于温度的参数引起的。如果将固定组运行时间差消除到0，则可以避免零点校准/调整，这减少了可能的误差并节约了时间。为了遵守例如权威的认可，依赖于温度的组运行时间差必须保持在已建立的限制内。在第一方向发送超声波信号时，电路通过开关装置与第一超声换能器连接，而信号发送到该换能器并转换为超声波信号。接着，电路转换为与另一个接收信号的超声换能器连接，这在该电路接收来自第一换能器的超声波信号时发生。在相反方向发送超声波信号时，电路首先与用于发送的第二换能器连接，然后与用于接收的第一换能器连接。
但是利用DE10048959A1中的实施方式的结果是，存在从发生器到接收换能器的信号耦合的问题，且换能器的衰减时间也存在问题。在超声换能器作用为发射器之后不久，发送到该换能器的信号被控制装置通过上述开关装置中断。但是，超声换能器在转换后仍然振荡一段时间，且该振荡时间取决于换能器设计。换能器由典型的钢制成的外罩组成，其中设置了通过外罩内的窗口进行发射的水晶。通常，由于厚钢窗适应了水晶振荡，因此具有厚钢窗的换能器往往比具有薄钢窗的换能器振荡更长的时间，且该振荡的结果是与接收换能器电耦合，这将改变测量信号。
原理上，该问题可以通过只采用一个薄壁换能器来解决，但是厚壁换能器是优选的，因为它们对腐蚀效应、介质的压力(真空也是一样)、气蚀和流体颤动的抵抗能力更强。采用厚壁窗口使得自我支撑(selfbearing)的设计以及用于比换能器中采用减轻的压电陶瓷时可能获得的更高压力的设计成为可能。
DE19810798A1公开了一种减小发生器信号耦合和减小超声换能器振荡效应的解决方案。在接收电路中和发送电路中插入短路开关。该短路开关由将振荡信号和耦合的发生器信号引导到地面的控制布置控制。但是，该电路采用分离的发送和接收电子线路，因此具有两条不同的发送和接收信号的信号路径。由此，无法自动给出互易，必须如DE19810798A1所述通过实施一个阻抗匹配网络来做到。这增加了电路的复杂度，并且需要大量的短路、发送和接收开关来获得互易并减小耦合和振荡效应。
发明内容
根据上述问题，本发明的目的是设计一种更为简单的发送和接收电路用于超声流量计，其中该电路具有完全的互易，且实质上不被超声换能器的衰减周期中产生的振荡所影响。另一个目的是减小来自信号发生器的信号的耦合，该信号本来是发送到发送换能器，却耦合到接收换能器。
在如权利要求1前序部分所述的发送和接收电路中，上述任务是这样解决的，即，该发送和接收电路包括一个放大器，在第一输入端接收逆流和顺流的超声波信号并在第二输入端接收发生器信号，其中所述放大器具有从该放大器的输出端连接到其第一输入端的负反馈阻抗，其中该电路布置与第二阻抗连接，且短路开关连接到运送发送信号和接收信号的电导体。
本发明是基于这样一个认识，即开关具有在开关的关闭周期内激活的寄生电容，其导致不期望的与测量换能器的电耦合。该电容具有影响测量结果的幅度，且可以认为该电容在开关装置关闭时与其并联。当换能器产生振荡，也就是说，当外罩即使在信号分离的情况下机械振动时，换能器中的水晶产生电信号，通过开关装置中的寄生电容发送到放大器的输入端和接收换能器。由此，衰减的换能器作用为发送和接收电路中的附加信号发生器。
本发明还解决了其它问题，即在发送期间本来发送到发送换能器的来自信号发生器的信号、却通过电容发送到接收换能器的不期望的耦合。耦合信号由关闭的短路开关解耦合。
因此本发明提供了完全的互易和有效的干扰信号的解耦合。通过在每个电路布置中只采用一个短路开关来达到。该短路开关连接到既将发送信号从放大器运送到超声换能器，又将接收信号从超声换能器运送到放大器的电导体。与现有技术相反，只有一个信号路径需要解耦合。
换能器振荡和发生器信号耦合的影响都引起测量信号的时间偏移，且换能器的衰减时间越长，对开关装置在关闭状态下绝缘的要求也越高。
优选的，每个电路布置都包括第一和第二串联连接，它们实际上由开关装置和超声换能器组成。在包括超声换能器和开关装置的串联连接的电路布置中采用本发明的结果是特别有利。通过将短路开关连接到超声换能器和开关装置的串联连接中，既可以短路掉水晶产生的不期望的发生器电压，又可以通过寄生电容分离信号路径。如已提到的，这通过在整个或部分周期中打开短路开关来做到，其中在所述周期内对应于该开关的超声换能器必须未激活，也就是说不产生超声波信号。
短路开关具有两个电极，在第一开关上的第一电极电连接到第一串联连接，第二短路开关上的第一电极电连接到第二串联连接。
优选的，短路开关的第一电极连接到开关装置的其中一个电极上，因为这通过寄生电容有效地解除了信号的耦合。如果在超声换能器和开关装置之间的串联连接中插入一个阻抗，则连接点的问题尤其重要。在这种情况下，短路开关的第一电极连接到开关装置优选为连接到超声换能器的电极。
串联连接的一端可以连接到第二阻抗的空闲端，而另一端则连接到基准电位。如上所述，在开关装置的一个电极和一个换能器电极之间的中点上连接短路开关的一个电极会导致有效的解耦合，因为从信号发生器到接收换能器的一个耦合路径(信号发生器正在发送)，以及从振荡的发送换能器到接收换能器的另一耦合路径(信号发生器不活动)都被解耦合。
在本发明的另一实施方式中，串联连接与反馈阻抗并联，短路开关的一个电极电连接到超声换能器和对应于短路开关的开关装置之间的中点。
在本发明的另一实施方式中，第二阻抗分为两个串连的阻抗，每个都插入到开关装置和超声换能器之间的串联连接中。然后该串联阻抗作用为超声换能器上的负载，且通过选择合适的阻抗大�。竦葱藕呕崴ゼ醯酶�。
在该实施方式中，短路开关可以设置为与超声换能器并联，但如果其电极连接到串联阻抗和开关装置之间的中点则效果更好，因为耦合的发生器信号遇到了更大的阻抗。但是选择短路开关的连接点是一个设计上的问题，并取决于振荡产生的信号的幅度与耦合的发生器信号的幅度之比。
开关装置可以由两个串连的开关以及连接在这两个开关的共同连接点和基准点之间的第三开关组成。其优点是增加了阻尼，因为不期望的信号必须通过两个其中点与基准点去耦合的寄生电容。
至于电压电位，基准点优选地设置在地面或虚拟地面上，但也可以是直流电压电平。
为了阻塞应用在电路布置中、并确保向开关装置提供工作电压的直流电压，可以与短路开关串联地插入一个电容。
即使在包括开关装置和超声换能器的串联连接的电路布置中获得最佳阻尼效应，本发明也可以用于换能器不同连接的情况。这特别应用于发送接收电路类型，其中两个超声换能器设置在第一串联连接中，两个开关装置连接在第二串联连接中，该两个串联连接并联设置并在第一串联连接和第二串联连接的中点互相电连接。根据本发明，短路开关可以设置为与每个换能器串联，但是电路不象上述电路那样通过开关装置的寄生电容解除发生器信号的耦合。
为了控制开关装置和短路开关的打开和关闭时间，优选使相同的控制装置控制该顺序过程。ASIC或微控制器可以用作控制装置。
在下面的详细说明中，参照根据本发明的用于超声流量计的发送和接收电路的实施方式解释本发明，附图中示出了图1是现有技术中的超声流量计的发送和接收电路略图，其中两个超声换能器都具有一个连接到基准电位的终端和一个通过开关装置连接到放大器上的第一输入终端的终端。
图2是现有技术中的第二实施方式，其中与开关装置串联的两个超声换能器与放大器的反馈连接并联。
图3是实际上对应于图2的现有技术中的第三实施方式，其中开关装置与每个换能器并联用于短路未使用的换能器，且换能器串联在放大器的第一输入终端和输出终端之间。
图4是本发明的第一实施方式，其中开关与超声换能器并联。该图也示出了控制装置和微分单元。
图5是本发明的第二实施方式，其中每个短路触点与包括一个开关装置、一个阻抗和一个超声换能器的串联连接并联。
图6是本发明的第三实施方式，其中短路开关与超声换能器并联地连接到放大器上的虚拟地面。
图7是按照图4中的实施方式的开关情况顺序图。
具体实施例方式
图1所示的发送和接收电路包括放大器1，其具有第一倒相输入终端用于连接超声换能器TR1、TR2，该连接通过阻抗Z1和开关装置S1、S2建立。在这里S1和TR1形成第一串联连接，而S2和TR2形成第二串联连接。第二非倒相输入终端与信号源连接，以被控制的方式产生电信号用于发送到超声换能器TR1、TR2。反馈连接通过阻抗Z2建立在输出终端和倒相输入终端之间。放大器1的输出终端也与检测装置连接(未示出)，用于导出用于计算期望的测量流的传送时间量度。
该电路示出的功能如下在从TR1至TR2的发送期间，S1关闭，信号源向电路提供合适的电信号，该信号通过放大器1、阻抗Z1和Z2以及开关S1发送到换能器TR1。发生器信号持续时间为大约10微秒。在从TR1发送超声波信号之后、TR2接收到该信号之前一段合适的时间(大约20微秒)内，S1断开且S2闭合以便在TR2上接收信号。TR2接收的信号通过开关S2和阻抗Z1、Z2发送到放大器1，用于发送到在放大器1输出端的微分单元。在从TR2发送到TR1时，S2闭合，在发送超声波信号之后、该信号到达TR1之前一段合适的时间内，S2断开而S1闭合以便TR1接收超声波信号。这说明无论给定的换能器是在发送还是在接收，S1和S2的位置始终相同，且该换能器始终遇到一个恒定的阻抗，该阻抗实际上对应于闭合的开关S1、S2和Z1的阻抗。
放大器中的组运行时间差被消除，因为相同的放大元件用于两个换能器，开关S1、S2中的组运行时间差也被消除，因为两个开关都是信号路径的一部分，这与发送方向无关。
所示电路的一个优点是，假设一个理想放大器，无论连接的换能器是在发送还是在接收，该放大器倒相输入端的虚拟地面都具有0欧姆的阻抗，这意味着换能器要遇到对应于Z1的一恒定阻抗外加相关开关S1、S2的阻抗。采用非理想放大器，则虚拟地面点的阻抗具有一最终值，其取决于放大器、Z1、Z2的开环输出阻抗、在换能器工作的频率范围内的换能器阻抗和放大器的开环增益。通常，换能器的负载是不同的，但是会保持互易，因为该负载从发送到接收模式都是恒定的。常用的换能器频率范围在大约40KHz到几MHz之间。
所示开关装置S1和S2在实践中制作成集成的C-MOS开关，但是也可以采用其它实施方式，例如离散FET晶体管。但是，不同实施方式的共同之处已在前面描述过，是不期望的断开(OFF)电容。该寄生电容典型地在0.1至10pF的范围内。
对于图1所示的实施方式，图2和3中示出的其它电路例子都具有换能器必须与基准电位分离的缺点。图2中所示的实施方式具有与图1所示的实施方式完全相同的功能，因为对开关S1、S2的要求对两个电路都相同，即开关闭合时阻抗适中，而开关断开时阻尼很大。图3所示的另一例子在实践中更难实现，因为其需要开关在闭合情况下的阻抗相当地小于换能器阻抗，以避免串线。由于换能器阻抗典型地位于小于几百欧姆的范围内，这可能是个问题，但是可以通过在每个换能器支路中插入串联电阻来解决。
即使图中的换能器表示为纯换能器水晶，当然也能理解它们潜在地包括无源的串联和并联阻抗和可能的用于电流分离的信号变压器。此外，该电路只显示了两个换能器，但实际上，从2到N个换能器都可能满足测量具有多个路径的管道的要求。
图4示出了本发明的第一实施方式。对于图1，两个短路开关S3和S4已添加到电路中。和其他开关一样，这些开关优选地制作成CMOS开关。S3的第一电极10连接在开关装置S1和换能器TR1之间的点P1上。点P1是与运送换能器发送的信号和发送到该换能器的信号的导体的连接点。短路开关的另一个电极11连接到基准电位，优选为地面。术语“电极”在这里表示终端。通过导线6和7，控制装置2控制开关的断开和闭合时间，其中控制装置2通过控制导线5连接到发生器4，该发生器发送近似正弦波形的1MHz信号到放大器1的输入端3。放大器1在这里表示为微分单元12的一部分，微分单元12根据超声波信号和计算装置13(未详细示出)确定的传送时间计算流Q的幅度。控制装置通过连接14同步。如上所述，当S1闭合S2断开时，信号通过Z2和Z1发送到TR1。S1由控制装置保持闭合一段明确定义的时间，在该时间后S1断开S2闭合。同时，在S1断开时，短路开关S3闭合，从而可以将来自TR1的有妨碍的发生器电压解耦合到地面。
上述过程在具有开关装置S2和短路开关S4的相对一侧重复。电路TR1、S1和S3可以看作由第一串联连接15组成的第一电路布置，该第一串联连接包括S1和TR1，而TR2和S2组成第二电路布置中的第二串联连接。
在电路布置中采用S3和S4并如上所述控制它们会打破不期望的、从TR1经过寄生电容耦合并通过S1到达节点K的电信号(图4)，在节点K处，当TR2在发送模式时错误信号被添加到来自发生器4的信号。产生的信号使TR2产生的超声波信号发生相位偏移，由此产生有关逆流和顺流超声波信号之间实际时间差的时间偏移。
开关装置S1在这里示为一个单独的开关，但实际上优选地是采用两个串联开关与一个第三开关，其中第三开关的一个电极连接到该两个开关的连接线上，另一个电极连接到地面。换句话说，第三开关是短路开关S3。目前，这样的在一个外罩中的T型开关可以购买到。该设计的优点是显著提高了对不期望信号的阻尼，因为现在信号必须通过两个在它们之间具有连接到地面的解耦的断开电容。
S3和S4的基准点17首先是地面或虚拟地面，但也可以是直流电压。为了断开直流电压，可以与S3串联地插入一个电容。
微分单元12示为只包括一个放大器，但原理上也可以包括两个放大器，一个作用为信号发送器，另一个作用为超声波信号接收器，发送器的输出端电连接到接收器的输入端。然后开关装置和超声换能器的两个串联连接连接到发送器的输出端，其同时也是接收器的输入端。
图7示出了图4中所示设计的开关装置和短路开关位置的顺序图。图7a中示出了控制装置向发生器4发送的信号，在时刻t0打开发生器，其一直发送到时刻t1，这段时间可以在0.5到200μs之间变化。在这段时间S1闭合(ON)。在例如停止发生器之后20μs的时刻t2，S1断开，同时如图7d所示，S3由控制装置闭合，以尽可能快地停止超声换能器TR1的振荡。图7e示出了S4的对应过程。同时示出开关装置S1和短路开关S4遵循相同的顺序。
图5示出了图4的另一实施方式，因为阻抗Z1分为两个阻抗Z1’和Z2’。现在，短路开关S3没有连接在Z1’和TR1之间，而是在Z1’之上连接在Z1’和开关装置S1之间。该设计的优点是如果换能器具有合适选择的阻抗，则该换能器的振荡会衰减得更快。通常，阻抗是欧姆电阻，在本实施方式中它们对Z1’和Z2’是100欧姆，对Z3是200欧姆。阻抗Z1’和Z2’可以是分离部件，但也可以看作超声换能器的内在阻抗的一部分。
图6示出了与反馈阻抗Z2并联的、开关装置和换能器的串联连接，以及分别与TR1和TR2并联地连接到放大器虚拟地面的短路开关S3和S4。
同时在图3示出的电路中，短路开关可以通过与TR1串联地插入第一开关和与TR2串联地插入第二开关(这些开关在图中未示出)来插入。这里，S1和TR2可以看作第一电路布置，TR1和S2看作第二电路布置。如果S1闭合并通过TR2发送发生器信号，则未示出的与TR1串联的开关断开，由此阻塞了TR1的信号路径。
权利要求
1.一种用于超声流量计的发送和接收电路，该电路包括一个信号发生器和至少两个电路布置((S1，TR1，S3)，(S2，TR2，S4))，每个电路布置都包括一个开关装置(S1，S2)、一个超声换能器(TR1，TR2)和一个短路开关(S3，S4)，通过所述开关装置将发生器信号提供到所述超声换能器，其特征在于，-该发送和接收电路包括一个放大器(1)，其在第一输入端(-)接收逆流和顺流的超声波信号并在第二输入端(+)接收发生器信号；-所述放大器具有从该放大器的输出端连接到其第一输入端的负反馈阻抗(Z2)；-所述电路布置与第二阻抗(Z1)连接，且所述短路开关连接到一个运送发送信号和接收信号的电导体。
2.如权利要求1所述的发送和接收电路，其特征在于，所述在一个电路布置中的开关装置和超声换能器形成第一串联连接(15)，所述在第二电路布置中的开关装置和超声换能器形成第二串联连接(16)。
3.如权利要求2所述的发送和接收电路，其特征在于，第一短路开关(S3)上的第一电极(10)电连接到所述第一串联连接，第二开关(S4)上的第一电极电连接到所述第二串联连接，以及这些开关的第二电极(11)电连接到基准电位(17)。
4.如权利要求3所述的发送和接收电路，其特征在于，开关的第一电极(10)电连接(P1)到开关装置(S1)的一个电极。
5.如权利要求2至4中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，所述第一串联连接(15)和第二串联连接(16)与所述第二阻抗(Z1)的自由端(K)电连接，以及至少一个所述开关(S3，S4)的第一电极与开关装置(S1，S2)和换能器(TR1，TR2)之间的中点(P1)电连接。
6.如权利要求2至4中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，所述第一串联连接(15)和第二串联连接(16)与负反馈阻抗(Z2)并联，以及至少一个所述开关(S3，S4)的第一电极与开关装置(S1)和换能器(TR1)之间的中点(P3)电连接。
7.如权利要求5所述的发送和接收电路，其特征在于，所述第二阻抗(Z1)由两个串联阻抗(Z1’，Z2’)组成，一个串联阻抗(Z1’)插入到超声换能器(TR1)与开关装置(S1)之间的第一串联连接(15)中，另一串联阻抗(Z2’)插入到超声换能器(TR2)和开关装置(S2)之间的第二串联连接(16)中。
8.如权利要求7所述的发送和接收电路，其特征在于，至少短路开关(S3，S4)的第一电极与开关装置(S1)和串联阻抗(Z1’)之间的中点(P2)电连接。
9.如上述权利要求中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，所述开关装置(S1，S2)由总共三个开关组成，其中两个设置为互相串联，第三个作用为解耦开关(S3)并连接在前两个开关的共同连接点和基准电位之间。
10.如上述权利要求中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，所述基准电位是直流电压或者是具有地面电位或虚拟地面电位的基准值。
11.如上述权利要求中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，将一阻抗，尤其是一电容与所述短路开关(S3，S4)串联。
12.如权利要求1所述的发送和接收电路，其特征在于，该电路包括包含两个超声换能器(TR1，TR2)的第一串联连接和包含两个开关装置(S1，S2)的第二串联连接，该两个串联连接并联设置，并在第一串联连接的中点和第二串联连接的中点互相电连接，所述短路开关设置为与每个超声换能器串联。
13.如上述权利要求中任一项所述的发送和接收电路，其特征在于，同一控制装置(2)控制开关装置(S1，S2)和短路开关(S3，S4)的断开和闭合时间。
全文摘要
本发明涉及一种用于超声流量计的发送和接收电路。在这种电路中，超声换能器典型地用作发射器和接收器。这通过采用例如CMOS开关形式的开关装置获得。但是，当换能器作为发射器时会由于振荡出现问题。这种不期望的振荡使换能器的水晶作用为附加的信号发生器，该信号通过开关装置中的寄生电容耦合到接收超声换能器。根据本发明，该问题是通过将短路开关的一个电极连接到超声换能器或连接到开关装置、而短路开关的另一个电极连接到地面来解决的。通过在开关装置断开时保持短路开关闭合，开关装置闭合时保持断开，为不期望的信号创建了解耦路径。这提高了发送和接收电路的精确度。
文档编号G01F1/66GK1575407SQ02821252
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月24日 优先权日2001年10月26日
发明者拉尔斯·杰斯珀森 申请人:西门子流量仪器公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
