DE4400448C1 - Ansteuer- und Auswerteanordnung für zwei als Sender und Empfänger betreibbare Ultraschallwandler - Google Patents

Description

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 als Sender oder als Empfanger betrieben werden können. Diese Ultraschallwandler senden z. B. pulsartig Ultraschallsignale in das strömende Fluid aus. Der jeweilige Empfanger 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.

Aus der DE 30 25 788 A1 ist ein Ultraschall-Meßgerät mit zwei wahlweise als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallwand­ lern bekannt. Deren Anschlüsse sind mittels einer Umschaltvor­ richtung wahlweise mit einem Sendesignalgeber oder einem Emp­ fängerverstarker verbunden. Zur Bildung gleich großer Abschluß­ impedanzen ist der Sendesignalgeber als Stromgenerator ausge­ führt.

Im Dokument DE 34 29 099 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids nach dem Prinzip der Pha­ sen-Nachregelung und Differenzfrequenz-Auswertung bekannt. Bei dem Verfahren wird vor Durchführung der eigentlichen Messungen mit Differenzfrequenz-Auswertung aus Min- und Gegenrichtung, insbesondere nach (Wieder-)Einschalten des Meßgeräts ein beson­ ders ausgestalteter Setzvorgang durchgeführt, der getrennt für die Min- und für die Gegenrichtung Kallibrierungswerte liefert, die die Eindeutigkeit der nachfolgenden Strömungsmeßwert-Er­ mittlung gewährleisten.

In dem Dokument US 43 20 666 ist eine Vorrichtung zur Strö­ mungsmessung beschrieben. Sie enthält zwei Ultraschallwandler, zwischen welchen ein Ultraschallsignal durch das Fluid übertra­ gen wird. Das Ultraschallsignal wird mittels eines Audiosignals frequenzmoduliert. Die Beziehung zwischen der Frequenz oder Phase des empfangenen modulierten Ultraschallsignals und dem ausgesendeten Ultraschallsignal ist ein Maß für die Geschwin­ digkeit der Strömung. Das Ultraschallsignal wird bevorzugt alternierend in zwei entgegengesetzte Richtungen ausgestrahlt, wobei die Wandler alternierend als Sender oder Empfänger be­ trieben werden.

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.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf von Steuer- und Empfangssi­ gnalen.

Wie Fig. 1 zeigt, werden die Ultraschallwandler USW1 und USW2 über komplementär angesteuerte Schalttransistoren TR1 und TR2 wechselweise zum Vorverstärker V bzw. über die Schalt­ transistoren TA11, 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 R_rez auf Massepotential. Derselbe Wi­ derstand R_rez liegt während der Hochspannungsaktivierungsphase - d. h. entweder das Steuersignal U_H1 oder das Steuersignal U_H2 bringt die Schalttransistoren TA11 bzw. TA12 zum Durchschalten - über TA11 bzw. TA12 in Serie zum Sendetransistor TK1. So wird unter Annahme von gegenüber dem Reziprozitätswiderstand R_rez vernachlässigbaren Durchlaßwiderständen der beteiligten Schalttransistoren TR1, TR2, TM1, TM2, TA11 oder TA12 die Reziprozitätsbedingung, d. h. ein identischer elektrischer Abschluß beim Senden und Empfangen erfüllt.

Gemäß dem in Fig. 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, U_H1 bzw. U_H2 verzögert. Damit bleiben die exemplarabhängigen Verzögerungszeiten der Schalttransistoren TA11 bzw. TA12 ohne Auswirkung auf den Sendevorgang. Da der über die Schalttransistoren TA11 und TA12 ausgewählte Ultra­ schallwandler USW1 oder USW2 vor dem Senden noch entladen ist, bedeutet das Zuschalten der Hochspannung U_H mit dem Sendetransistor TK1, 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 TK1 leicht verzögert, um Stromspitzen durch eine kurzzeitige direkte Verbindung von Hochspannungsquelle und Masse zu verhindern.

Die Hochspannung U_H 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 U_H1 und U_H2 werden durch logisches Verknüpfen des Signals U_Haktiv mit dem Steuersignal Richtung R gewonnen.

Das Signal Takt, vergleiche Fig. 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 U_H. 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 Empfangssignale muß der zeitliche Ablauf der folgenden Ereignisse, wie angegeben, verschachtelt 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 f_max = 1/Laufzeit liegende Meßrate zu erreichen. Wie erste praktische Erfahrungen zeigen, lassen sich die Forderungen ausgezeichnet erfüllen, wenn die Vorgänge 1 bis 4 (annähernde 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 Empfangswandler) und des Hochspannungsimpulses zusammengefaßt.

Innerhalb der Laufzeit, Minimum ca. bei 100 µs, kann problemlos ein für ca. 100 V 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 R_rez kann vorteilhafterweise auf eine Leistungsanpassung hin optimiert werden. So liegt der optimale Reziprozitätswiderstand R_rez an einem Ultraschallwandler mit einer Wandlerkapazität von C_w = 2 . . . 3nF und einer Wandlerfrequenz f_w = 150 kHz im Bereich von R_rez = 330 . . . 1 kΩ.

Für die erfindungsgemäße Schaltung ist jede Art Ultraschall­ wandler geeignet.

Claims (4)

1. Ansteuer- und Auswerteanordnung für zwei als Sender und Empfänger betreibbare Ultraschallwandler (USW1, USW2),

• - bei der ein Hochspannungssignal wahlweise über einen ersten Transistor (TA11) und einen ersten Widerstand (R_rez) zum einen Ultraschallwandler (USW1) oder über einen zweiten Transistor (TA12) und einen dem Wert des ersten Widerstands (R_rez) nach gleichen zweiten Widerstand (R_rez) zum anderen Ultraschallwandler (USW2) durchschaltbar ist,
• - bei der ein erstes schaltbares Mittel zur Masseklemmung zwischen dem ersten Transistor (TA11) und dem ersten Widerstand (R_rez) liegt,
• - bei der ein zweites schaltbares Mittel zur Masseklemmung zwischen dem zweiten Transistor (TA12) und dem zweiten Widerstand (R_rez) liegt,
• - bei der ein dritter Transistor (TR1) und ein vierter Transistor (TR2) vorgesehen sind, 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 (TK1) vorgesehen ist, welcher mit einem Steuerimpuls steuerbar ist und mit welchem eine Hochspannung (U_H) schaltbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zur Ansteuerung des ersten und des zweiten Transistors (TA11, 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.