專利名稱：超聲波耗能功率計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測(cè)量?jī)x器，特別涉及超聲波換能器耗能功率的實(shí)時(shí)測(cè)量。
在超聲波民用產(chǎn)品中，如超聲波清洗機(jī)等，常常需要實(shí)時(shí)測(cè)量換能器消耗的有功功率，以監(jiān)視換能器的耗能和它與功率源的匹配情況。在超聲波應(yīng)用和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用頻率常常是十幾千赫茲到幾百千赫茲。功率在幾十瓦到幾千瓦之間。在這一頻段，采用傳統(tǒng)的電磁式功率計(jì)結(jié)構(gòu)笨重，不能滿足精度的要求。近年來(lái)，用模擬乘法器做功率測(cè)量正在大力發(fā)展，但都集中在對(duì)市電交流電能的測(cè)量。
本實(shí)用新型的目的是提供一種專門針對(duì)超聲換能器使用的數(shù)字有功功率計(jì)。
本實(shí)用新型的主要特點(diǎn)是換能器電路中的超聲波換能器和取流電阻R3的輸出端連接到功率計(jì)的X和Y輸入端，所述功率計(jì)有一模擬乘法器，乘法器前接有一分壓電路。分壓電路的總電阻大于換能器阻抗幅值兩個(gè)數(shù)量級(jí)，取壓電阻小于乘法器的輸入阻抗兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
本實(shí)用新型既可作成外接式，即功率計(jì)獨(dú)立做在一機(jī)箱內(nèi)，配以一個(gè)取流電阻接在功率發(fā)生器與換能器的連接電路。外接式功率計(jì)配有探頭，在需要測(cè)量時(shí)接在被測(cè)換能器兩端，并不影響換能器的工作。內(nèi)接式則將功率計(jì)與中和電感都安裝在超聲波功率源的機(jī)殼內(nèi)，使超聲功率發(fā)生器和有功功率計(jì)形成一體化，這樣超聲波功率源增加不多的成本，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視換能器的耗能功率和阻抗匹配情況。


圖1為外接式超聲波耗能功率計(jì)的外觀示意圖。
圖2為功率計(jì)與換能器電路連接示意圖。
圖3為功率計(jì)主體內(nèi)部電路圖。
在超聲波功率源與換能器的連接電路中，由于換能器的阻抗是以容性阻抗為主的，其電抗成分比電阻成分大得多，以壓電陶瓷換能器為例，在20KHZ頻率時(shí)，其容抗與電阻的比為4∶1左右。為中和其容抗成分，做到與功率源的阻抗匹配，電路中一般都串聯(lián)一個(gè)中和電感，形成串聯(lián)諧振電路，這樣將使換能器兩端電壓形成兩個(gè)特點(diǎn)1)波形比較純，基本上可以認(rèn)為是單頻率的正弦波，這樣就不需考慮復(fù)雜的電路去排除諧波成份。2)由于諧振，Q值較高，換能器兩端形成高壓，通常達(dá)幾百伏至一千多伏。針對(duì)以上特點(diǎn)，本實(shí)用新型采取如下方法實(shí)現(xiàn)1、采用頻率上限為幾百KHZ的模擬乘法器。
2、采用合理的分壓電阻組成分壓電路，其總電阻要大于換能器阻抗輻值兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而取壓電阻卻小于乘法器的輸入阻抗兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而分壓比要適合換能器的端電壓和乘法器的輸入電壓上限。
3、可用最簡(jiǎn)單的純電阻取流，取流電阻采用低阻抗，大功率的無(wú)感、無(wú)容電阻。
用乘法器做有功功率測(cè)量的原理如下設(shè)乘法器Xin和Yin的電壓分別為ux=Ux0cos(ωt+φ1)uy=Uy0cos(ωt+φ2)則乘法器的輸出為U=Kuxuy=KUx0Uy0cos(ωt+φ1)cos(ωt+φ2)=12KUx0Uy0cos(2ωt+φ1+φ2)+12KUx0Uy0cos(φ2-φ1)]]>輸出包括一個(gè)倍頻成分和一個(gè)直流成分，其中直流成分可以由直流電壓表提取出來(lái)。比例系數(shù)K可通過(guò)乘法器外圍電路調(diào)節(jié)和確定。
設(shè)圖2中取流電阻阻值為R3，圖3中分壓電路分壓比為R2/(R1+R2)，數(shù)字電壓表顯示擴(kuò)大倍數(shù)為1000，則數(shù)字電壓表的示數(shù)為12KUx0Uy0cos(φ2-φ1)×1000]]>=12KU0R2R1+R2I0R3cos(φ2-φ1)×1000]]>=12K×1000×R2R3R1+R2·U0I0cos(φ2-φ1)]]>其中，U0I0cos(φ2-φ1)/2正是換能器的有功功率。選擇恰當(dāng)?shù)腒、R1、R2、R3的值，就可使數(shù)字電壓表的示數(shù)恰好等于換能器的有功功率。
圖1為外接式超聲波耗能功率計(jì)的外觀示意圖。其中1為功率計(jì)外殼，其尺寸小于22cm×16cm×11cm，整機(jī)重量小于2kg,2和3為Q9接頭，分別為超聲換能器兩端電壓和取流電阻兩端電壓的輸入端。4為功率計(jì)電源開關(guān)，5為數(shù)字顯示表，顯示4位有效數(shù)字的以瓦為單位的有功功率值。
圖2為功率計(jì)與換能器電路連接示意圖，包括外接式和內(nèi)接式。其中7為功率計(jì)主體，6為取流電阻，實(shí)際可采用2Ω10W的金屬膜電阻，其Q值很低，在幾百KHZ頻率范圍內(nèi)可認(rèn)為端電壓與電流同位相。
圖3為功率計(jì)主體電路圖。其中8為模擬乘法器AD533JH，其全功率帶寬750KHZ，輸入電壓限制范圍為+10V。9為輸入220V、輸出±15V的雙極性開關(guān)電源，10、11、12均為20kΩ的微型電位器，13為5kΩ的精密電位器。14為7.5 kΩ的固定電阻。9、10、11、12、13、14組成乘法器8的外圍電路。15、16分別為81590Ω和410Ω的線繞電阻，它們組成分壓比為1∶200的分壓電路。17為可調(diào)顯示比例的數(shù)字直流電壓表，可顯示4位有效數(shù)字。
由以上結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型可測(cè)量常用超聲波頻段的正弦波信號(hào)施加到超聲換能器上的有功功率，量程為3kw，負(fù)載兩端峰值電壓限制在2000V。
權(quán)利要求1．一種超聲波耗能功率計(jì)，其特征在于換能器電路中的超聲波換能器和取流電阻R3的輸出端連接到功率計(jì)的X和Y輸入端，所述功率計(jì)有一模擬乘法器，乘法器前接有一分壓電路。
2．按權(quán)利要求1所述的功率計(jì)，其特征在于分壓電路的總電阻大于換能器阻抗幅值兩個(gè)數(shù)量級(jí)，取壓電阻小于乘法器的輸入阻抗兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
3．按權(quán)利要求1或2所述的功率計(jì)，其特征在于分壓電路的分壓比為1∶200。
4．按權(quán)利要求1所述的功率計(jì)，其特征在于在功率源和超聲換能器之間有一取流電阻R3。
5．按權(quán)利要求4所述的功率計(jì)，其特征在于所述取流電阻為低阻抗、大功率的無(wú)感、無(wú)容電阻。
專利摘要一種超聲波耗能功率計(jì),換能器電路中的超聲波換能器和取流電阻R
文檔編號(hào)G01R21/06GK2445333SQ00254069
公開日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者陳志雨, 趙羲文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所