一种电流计量电路的制作方法

1.本技术涉及超声波换能器测量领域，具体而言，涉及一种电流计量电路。


背景技术：

2.超声波换能器等效电路为超声波换能器实际电路的等效电路，该超声波换能器等效电路的取值与超声波换能器实际电路的取值相同。超声波换能器等效电路包含静态等效电容支路及动态等效电容支路。其中，动态等效电容支路由动态等效电感、动态等效电容及动态等效电阻串联组成。但是在实际操作中，由于换能器实物是一个整体，无法像等效电路那样分成静态支路和动态支路，在对超声波换能器进行计量时，只能计量超声波换能器整个电路的电流值，但是对于超声波换能器来说实际做功部分只有动态支路部分，因此现目前市面上的超声波发生器对真正转换成超声波能量的计量不够准确，对换能器固有特征频率的追踪也不够精确。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例的目的在于提供一种电流计量电路。以提高对等效动态电路计量的准确性。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种电流计量电路，包括：换能器等效模块；总电流采样模块，所述总电流采样模块的第二端与所述换能器等效模块的第一端连接；第一等效模块，所述第一等效模块的第一端与所述总电流采样模块的第一端连接；第一等效采样模块，所述第一等效采样模块的第一端与所述第一等效模块的第二端连接，所述第一等效采样模块的第二端与所述换能器等效模块的第二端连接。
5.本技术实施例通过设置总电流采样模块及第一等效采样模块分别对换能等效模块的总电流及第一等效模块电流进行采样，得到换能器等效电路总电流及换能器等效模块内部的等效静态子模块的电流，进而能够得到换能器等效模块内部的等效动态子模块的电流，提高了对等效动态电路计量的准确性。
6.结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：所述电路还包括：电流采样信号调理模块，所述电流采样信号调理模块的第一端与所述总电流采样模块的第三端连接，所述电流采样信号调理模块的第二端与所述第一等效采样模块的第三端连接，所述电流采样信号调理模块的第三端与外部设备连接。
7.本技术实施例通过将电流采样信号调理模块与总电流采样模块及第一等效采样模块进行连接，可以将总电流采样模块获取的换能器等效模块的总电流与第一等效采样模块获取到的第一等效模块的电流经过该电流采样调理模块进行处理，并将处理后的换能器等效模块的总电流与第一等效模块的电流输出到外部设备，以使外部设备能够承受本电路电流，防止输出的电流过大导致外部设备损坏。
8.结合第一方面的第一种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：所述电流采样信号调理模块包括：第一运算放大器、第二运算放大
器；所述第一运算放大器的第一端通过第五阻性元件与所述总电流采样模块的第三端连接，所述第一运算放大器的第二端通过第六阻性元件与所述第二运算放大器的第一端连接，所述第一运算放大器的第三端接地；所述第二运算放大器的第三端通过第七阻性元件与所述第一等效采样模块的第三端连接，所述第二运算放大器的第二端与外部设备连接。
9.本技术实施例通过在电流采样信号调理模块中设置第一运算放大器与第二运算放大器。鉴于总电流较大，相应的采样信号也容易受负载影响而变化，因此通过设置第一运算放大器对总电流进行运放，能够保证总电流信号调理更加稳定。而支路电流较小且比较稳定，因此通过再设置一个第二运算放大器，对总电流与支路电流进行运算即可，通过本实施例的设置不仅提高了电流信号的稳定性，还简化了电路结构。
10.结合第一方面的第二种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述换能器等效模块包括：等效静态子模块、等效动态子模块；所述总电流采样模块的第二端与所述等效静态子模块的第一端及所述等效动态子模块的第一端连接；所述第一等效采样模块的第二端与所述等效静态子模块的第二端及所述等效动态子模块的第二端连接；所述等效静态子模块的容性元件值与所述第一等效模块的容性元件值相等。
11.本技术实施例通过将换能器等效模块分为等效静态子模块与等效动态子模块，且等效静态子模块与等效动态子模块之间采用并联的方式进行连接，其中等效静态子模块的电流不对外做功，而等效动态子模块的电流需要对外做功，且和超声波能量成正比。通过将换能器等效模块进行划分，可以通过获取换能器等效模块的总电流及等效静态子模块的支路电流便可以计算得到等效动态子模块的支路电流，简化了等效动态子模块的支路电流的获取方式，同时提高了计量等效动态子模块的支路电流的准确性。
12.结合第一方面的第三种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一等效采样模块包括：第一电流互感器、第一阻性元件、第二阻性元件；所述第一电流互感器的第一端与所述第一等效模块的第二端连接；所述第一电流互感器的第二端与所述换能器等效模块的第二端连接；所述第一电流互感器的第三端、第四端与所述第一阻性元件及所述第二阻性元件之间相互并联。
13.本技术实施例通过设置第一等效采样模块能够获取到第一等效模块的支路电流，由于通过该第一等效模块得到的支路电流电流值过大，直接输入到电流采样信号调理模块，容易损坏该电流采样信号调理模块内部的运算放大器。故，在第一等效采样模块通过设置第一电流互感器将支路电流进行转换，转化为运算放大器能够接收的电流值大小，以防止元件损坏。
14.结合第一方面的第四种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述总电流采样模块，包括：第二电流互感器、第三阻性元件、第四阻性元件；所述第二电流互感器的第一端与所述第一等效模块的第一端连接；所述第二电流互感器的第二端与所述换能器等效模块的第一端连接；所述第二电流互感器的第三端、第四端与所述第三阻性元件及所述第四阻性元件之间相互并联。
15.本技术实施例通过设置总电流采样模块能够获取到换能器等效模块的总电流，由于通过该总电流采样模块得到的总电流电流值过大，直接输入到电流采样信号调理模块，容易损坏该电流采样信号调理模块内部的运算放大器。故，在总电流采样模块通过设置第
二电流互感器将总电流进行转换，转化为运算放大器能够接收的电流值大小，以防止元件损坏。
16.结合第一方面的第五种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述电路还包括：电压采样模块；所述电压采样模块包括多个阻性元件、电压采样信号调理子模块，所述电压采样信号调理子模块与所述多个阻性元件串联；所述电压采样模块的第一端与所述换能器等效模块的第一端连接，所述电压采样模块的第二端与所述换能器等效模块的第二端连接。
17.本技术实施例通过设置电压采样模块能够对换能器等效模块的电压进行采样。并通过在该电压采样模块设置多个阻性元件，可以将该换能器等效模块中较高的电压进行缩小，缩小到外部设备能够处理的电压范围内，以保证外部设备在接收该电压时能够承受，保护设备不被损坏。
18.结合第一方面的第六种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述电压采样模块包括：第三运算放大器；所述第三运算放大器的第三端通过多个阻性元件与所述换能器等效模块的第一端连接并接地，所述第三运算放大器的第二端通过多个阻性元件与所述换能器等效模块的第二端连接，所述第三运算放大器的第一端与外部设备连接。
19.本技术实施例通过在电压采样模块中设置第三运算放大器，可以对输入该电压采样模块中的电压进行运放，保证输入到外部设备的电压在外部设备能够承受的范围内，同时还能保证输入到外部设备的电压较为稳定。
20.结合第一方面的第七种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述电流计量电路还包括：变压器；所述变压器的第三端与所述第一等效采样模块的第二端与所述换能器等效模块的第二端连接；所述变压器的第一端与第二端与超声波发生器连接。
21.本技术实施例通过设置变压器，能够将超声波发生器输出的电能信号施加在变压器的第一端与第二端，通过该变压器对该电能信号进行处理，能够实现换能器和超声波发生电路的阻抗匹配，保证超声波能量传输的高效率。
22.结合第一方面的第七种可能的实施方式，本技术实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述电流计量电路还包括：第二感性元件；所述第二感性元件的第一端与所述第一等效模块的第一端连接；所述第二感性元件的第二端与所述变压器的第四端连接；所述第二感性元件与所述第一等效模块形成低通滤波器，所述低通滤波器用于处理所述变压器的第三端与第四端输入的电能。
23.本技术实施例通过设置感性元件，且该感性原件与第一等效模块连接，该感性元件与第一等效模块中的阻性元件形成滤波电路，能够对变压器第三端与第四端输入的电能进行滤波处理，从变压器输出的脉冲波中过滤出超声频率的基波成分，用该超声频率的基波去驱动超声波换能器。
24.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为本技术实施例提供的电流计量电路的电路结构示意图；
27.图2为本技术实施例提供的电流采样信号调理模块的电路结构示意图；
28.图3为本技术实施例提供的电压采样模块的电路结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的原理结构、系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、功能块、程序段或代码的一部分，所述模块、功能块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的模拟功能和逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
30.由于换能器实物是一个整体，对于换能器内部的电路的具体难以分别进行计量，因此，现目前市面上的超声波发生器对真正转换成超声波能量的计量不够准确，对换能器固有特征频率的追踪也不够精确。发明人经过研究发现换能器等效电路上的静态等效电容支路上的电流是不参与对外做功的，仅动态等效电容支路上的电流参与对外做功、且和转换成的超声波能量成正比关系。因此，可以将换能器内部的电路分为等效静态电容与等效动态电容，其中等效静态电容为换能器不对外做功部分，等效动态电容为换能器对外做功的部分。
31.基于此，本技术发明人提出在该换能器外部设置一个与等效静态电容的电容值相等的换能器并联电容，通过对换能器并联电容的电路进行测量便能够得到等效静态电容的电流，再对该换能器电路的总电流进行测量，通过得到的总电流与等效静态电容的电流便能够计算得到等效动态电容的电流，以此能够准确的到超声波发生器对真正转换成超声波能量的计量。
32.请参阅图1，是本技术实施例提供的电流计量电路的电路图，该电流计量电路可以包括：换能器等效模块100、总电流采样模块200、第一等效模块300及第一等效采样模块400。该总电流采样模块200的第二端与换能器等效模块100的第一端连接；该第一等效模块300的第一端与总电流采样模块200的第一端连接；该第一等效采样模块400的第一端与第一等效模块300的第二端连接，第一等效采样模块400的第二端与换能器等效模块100的第
二端连接。
33.其中，该换能器等效模块100为换能器内部结构的等效结构，该换能器等效模块100与换能器实际电路相等。
34.可选地，第一等效模块300可以包括多个容性元件，多个容性元件之间依次串联。图中示出五个，包括容性元件c2、容性元件c3、容性元件c4、容性元件c5、容性元件c6，根据实际需求该多个容性元件可以比图中示出的容性元件更多或更少。
35.请参阅图2，是本技术实施例提供的电流采样信号调理模块的电路结构示意图，本电流计量电路还包括：电流采样信号调理模块。该电流采样信号调理模块的第一端与总电流采样模块200的第三端连接，该电流采样信号调理模块的第二端与第一等效采样模块400的第三端连接，该电流采样信号调理模块的第三端与外部设备连接。
36.可选地，该电流采样信号调理模块包括：第一运算放大器u43b、第二运算放大器u43c。
37.其中，该第一运算放大器u43b的第一端5通过第五阻性元件r257与所述总电流采样模块200的第三端连接，第一运算放大器u43b的第二端7通过第六阻性元件r256与第二运算放大器u43c的第一端10连接，第一运算放大器u43b的第三端6接地。
38.可选地，该第一运算放大器u43b可以为同相输入连接，该第一运算放大器u43b可以为反相输入连接，该第一运算放大器u43b可以为差动输入连接，该第一运算放大器u43b还可以为开环比较连接。
39.可选地，该第一运算放大器u43b包括同相输入端、反相输入端及输出端，该第一运算放大器u43b的第一端5可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第一运算放大器u43b的第二端7可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第一运算放大器u43b的第三端6可以为同相输入端、反相输入端或输出端,
40.该第一运算放大器u43b的第一端5、第二端7及第三端6的具体连接类型可根据实际情况设置，本技术不做限制。
41.示例性地，本技术图中示出的为该第一运算放大器u43b的第一端5为同相输入端，第一运算放大器u43b的第三端6为反相输入端，该第一运算放大器u43b的第二端7为输出端。
42.可选地，该第一运算放大器u43b的第三端6可以与第一运算放大器u43b的第二端7短接并通过第八阻性元件r246接地。第九感性元件c168并联连接在第一运算放大器u43b的第三端6与第一运算放大器u43b的第二端7之间，第九阻性元件r250并联连接在第一运算放大器u43b的第三端6与第一运算放大器u43b的第二端7之间。
43.其中，该第二运算放大器u43c的第三端9通过第七阻性元件r253与第一等效采样模块400的第三端连接，第二运算放大器u43c的第二端8与外部设备连接。
44.可选地，该第二运算放大器u43c可以为同相输入连接，该第二运算放大器u43c可以为反相输入连接，该第二运算放大器u43c可以为差动输入连接，该第二运算放大器u43c还可以为开环比较连接。
45.可选地，该第二运算放大器u43c包括同相输入端、反相输入端及输出端，该第二运算放大器u43c的第一端10可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第二运算放大器u43c的第二端8可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第二运算放大器u43c的第三端
9可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第二运算放大器u43c的第一端10、第二端8及第三端9的具体连接类型可根据实际情况设置，本技术不做限制。
46.示例性地，本技术图中示出的为该第二运算放大器u43c的第一端10为同相输入端，该第二运算放大器u43c的第三端9为反相输入端，该第二运算放大器u43c的第二端8为输出端。
47.可选地，该第二运算放大器u43c反相输入端9可以与第二运算放大器u43c输出端8通过第十阻性元件r260短接。
48.上述技术方案中，换能器等效模块100包括：等效静态子模块、等效动态子模块。
49.其中，总电流采样模块200的第二端与等效静态子模块的第一端及等效动态子模块的第一端连接，第一等效采样模块400的第二端与等效静态子模块的第二端及等效动态子模块的第二端连接，等效静态子模块的容性元件值与第一等效模块300的容性元件值相等。
50.可选地，该等效静态子模块可以包括静态容性元件c0，该容性元件c0的电容值与第一等效模块300中的多个容性元件的电容值相等。
51.可选地，该等效动态子模块可以包括动态感性元件l1、动态容性元件c1、动态阻性元件r1。
52.可选地，该等效静态子模块为该换能器对外不做功部分，该等效动态子模块为该换能器对外做功部分。
53.上述技术方案中，第一等效采样模块400包括：第一电流互感器ct2、第一阻性元件r12、第二阻性元件r13。
54.其中，第一电流互感器ct2的第一端21与第一等效模块300的第二端连接，第一电流互感器ct2的第二端22与换能器等效模块100的第二端连接，第一电流互感器ct2的第三端23、第四端24与第一阻性元件r12及第二阻性元件r13之间相互并联。
55.可选地，该第一阻性元件r12的第一端及第二阻性元件r13的第一端与第一电流互感器ct2的第三端23连接并接地。该第一阻性元件r12的第二端及第二阻性元件r13的第二端与第一电流互感器ct2的第四端24连接并与第七阻性元件r253连接。
56.可选地，该第一电流互感器ct2可以是穿心式电流互感器，该第一电流互感器ct2可以是支柱式电流互感器，该第一电流互感器ct2还可以是套管式电流互感器。
57.上述技术方案中，总电流采样模块200，包括：第二电流互感器ct1、第三阻性元件r10、第四阻性元件r2。
58.其中，第二电流互感器ct1的第一端31与第一等效模块300的第一端连接，第二电流互感器ct1的第二端32与换能器等效模块100的第一端连接，第二电流互感器ct1的第三端33、第四端34与第三阻性元件r10及第四阻性元件r2之间相互并联。
59.可选地，该第三阻性元件r10的第一端及第四阻性元件r2的第一端与第二电流互感器ct1的第三端33连接并接地。该第三阻性元件r10的第二端及第四阻性元件r2的第二端与第二电流互感器ct1的第四端34连接并与第五阻性元件r257连接。
60.可选地，该第二电流互感器ct1可以是穿心式电流互感器，该第二电流互感器ct1可以是支柱式电流互感器，该第二电流互感器ct1还可以是套管式电流互感器。
61.可选地，根据总电流采样模块200获取到的总电流减去第一等效采样模块400获取
到的第一等效模块300上的支路电流，得到换能器等效模块100的等效动态子模块的电流。
62.可选地，根据总电流与支路电流计算得到换能器等效模块100的等效动态子模块的电流可以在电流采样信号调理模块中实现，根据总电流与支路电流计算得到换能器等效模块100的等效动态子模块的电流也可以在外部设备中实现。
63.上述技术方案中，该电流计量电路还包括：电压采样模块500。
64.其中，如图3所示，该电压采样模块500包括多个阻性元件、电压采样信号调理子模块，该电压采样信号调理子模块与所述多个阻性元件串联，电压采样模块500的第一端与换能器等效模块100的第一端连接，电压采样模块500的第二端与所述换能器等效模块100的第二端连接。
65.可选地，该电压采样模块500中的多个阻性元件可以是3个、5个、10个等(图中示出为8个)，该多个阻性元件可以设置在电压采样模块500的第一端与换能器等效模块100的第一端之间，该多个阻性元件可以设置在电压采样模块500的第二端与所述换能器等效模块100的第二端之间，该电压采样模块500也可以设置在多个阻性元件之间。该多个电阻用于缩小该电压采样模块500两端电压。
66.上述技术方案中，电压采样模块包括：第三运算放大器u3a。
67.其中，第三运算放大器u3a的第三端3通过多个阻性元件与所述换能器等效模块100的第一端连接并接地，第三运算放大器u3a的第二端2通过多个阻性元件与换能器等效模块100的第二端连接，第三运算放大器u3a的第一端1与外部设备连接。
68.可选地，第三运算放大器u3a可以为同相输入连接，该第三运算放大器u3a可以为反相输入连接，该第三运算放大器u3a可以为差动输入连接，该第三运算放大器u3a还可以为开环比较连接。
69.可选地，该第三运算放大器u3a包括同相输入端、反相输入端及输出端，该第三运算放大器u3a的第一端1可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第三运算放大器u3a的第二端2可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第三运算放大器u3a的第三端3可以为同相输入端、反相输入端或输出端，该第三运算放大器u3a的第一端1、第二端2及第三端3的具体连接类型可根据实际情况设置，本技术不做限制。
70.示例性地，本技术图中示出的为该第三运算放大器u3a的第三端3为同相输入端，该第三运算放大器u3a的第二端2为反相输入端，该第三运算放大器u3a的第一端1为输出端。
71.可选地，外部设备可以是单片机、可编程控制器或其他控制器。该外部设备根据该电压采样模块500中的多个阻性元件缩小该电压采样模块500两端电压的值进行等比例放大。
72.上述技术方案中，该电流计量电路还包括：变压器t1。
73.其中，该变压器t1的第三端13与第一等效采样模块400的第二端及换能器等效模块100的第二端连接，该变压器t1的第一端11与第二端12与超声波发生器连接。
74.可选地，该变压器t1为降压变压器，根据实际情况，该变压器t1也可以设置为升压变压器。
75.可选地，该变压器t1的第一端11与第二端12与超声波发生器的pwm发生电路连接，用于接收超声波发生器的pwm发生电路施加的超声频率电信号。
76.上述技术方案中，该电流计量电路还包括：第二感性元件l2。
77.其中，该第二感性元件l2的第一端与第一等效模块300的第一端连接，第二感性元件l2的第二端与变压器的第四端14连接，第二感性元件l2与第一等效模块300形成低通滤波器，该低通滤波器用于处理变压器t1的第三端13与第四端14输入的电能。
78.可选地，该第二感性元件l2与第一等效模块300中的多个容性元件可以形成低通滤波器，用于对变压器t1的第三端13与第四端14输出的超声频率电信号进行滤波处理，将处理后的电信号施加在换能器等效模块100两端。
79.可选地，可以根据第一等效模块300中的多个容性元件的电阻值确定第二感性元件l2的电感值，以保证低通滤波器能够从发生电路产生的pwm脉冲波中过滤出同频率的正弦波。
80.本技术实施例通过采用与换能器并联的第一等效模块，并使第一等效模块的电容的取值和换能器等效模块的等效静态子模块电容相等，通过检测外部并联第一等效模块电容上的支路电流来模拟检测换能器等效静态电容支路上的电流，同时检测流入超声波换能器的总电流，用流入换能器的总电流减去第一等效模块支路上的电流得到动态支路上的电流。为超声波换能器动态支路电流的检测提供了一种新方法，动态支路电流的检出为超声波能量的准确计量和超声波换能器固有特征频率的准确追踪提供了一条良好的判据。利用此判据去做超声波能量的计算，以及做超声波换能器固有特征频率的追踪，有助于解决目前市面上超声波发生器不能够准确计量超声波能量以及频率追踪精度不高的问题。
81.在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、原理、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、原理、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、原理、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
82.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的原理、思想、精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。