专利名称：超声波耗能功率计的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测量仪器，特别涉及超声波换能器耗能功率的实时测量。
在超声波民用产品中，如超声波清洗机等，常常需要实时测量换能器消耗的有功功率，以监视换能器的耗能和它与功率源的匹配情况。在超声波应用和科学实验中所用频率常常是十几千赫兹到几百千赫兹。功率在几十瓦到几千瓦之间。在这一频段，采用传统的电磁式功率计结构笨重，不能满足精度的要求。近年来，用模拟乘法器做功率测量正在大力发展，但都集中在对市电交流电能的测量。
本实用新型的目的是提供一种专门针对超声换能器使用的数字有功功率计。
本实用新型的主要特点是换能器电路中的超声波换能器和取流电阻R3的输出端连接到功率计的X和Y输入端，所述功率计有一模拟乘法器，乘法器前接有一分压电路。分压电路的总电阻大于换能器阻抗幅值两个数量级，取压电阻小于乘法器的输入阻抗两个数量级。
本实用新型既可作成外接式，即功率计独立做在一机箱内，配以一个取流电阻接在功率发生器与换能器的连接电路。外接式功率计配有探头，在需要测量时接在被测换能器两端，并不影响换能器的工作。内接式则将功率计与中和电感都安装在超声波功率源的机壳内，使超声功率发生器和有功功率计形成一体化，这样超声波功率源增加不多的成本，即可实现监视换能器的耗能功率和阻抗匹配情况。
图1为外接式超声波耗能功率计的外观示意图。
图2为功率计与换能器电路连接示意图。
图3为功率计主体内部电路图。
在超声波功率源与换能器的连接电路中，由于换能器的阻抗是以容性阻抗为主的，其电抗成分比电阻成分大得多，以压电陶瓷换能器为例，在20KHZ频率时，其容抗与电阻的比为4∶1左右。为中和其容抗成分，做到与功率源的阻抗匹配，电路中一般都串联一个中和电感，形成串联谐振电路，这样将使换能器两端电压形成两个特点1)波形比较纯，基本上可以认为是单频率的正弦波，这样就不需考虑复杂的电路去排除谐波成份。2)由于谐振，Q值较高，换能器两端形成高压，通常达几百伏至一千多伏。针对以上特点，本实用新型采取如下方法实现1、采用频率上限为几百KHZ的模拟乘法器。
2、采用合理的分压电阻组成分压电路，其总电阻要大于换能器阻抗辐值两个数量级，而取压电阻却小于乘法器的输入阻抗两个数量级，而分压比要适合换能器的端电压和乘法器的输入电压上限。
3、可用最简单的纯电阻取流，取流电阻采用低阻抗，大功率的无感、无容电阻。
用乘法器做有功功率测量的原理如下设乘法器Xin和Yin的电压分别为ux=Ux0cos(ωt+φ1)uy=Uy0cos(ωt+φ2)则乘法器的输出为U=Kuxuy=KUx0Uy0cos(ωt+φ1)cos(ωt+φ2)=12KUx0Uy0cos(2ωt+φ1+φ2)+12KUx0Uy0cos(φ2-φ1)]]>输出包括一个倍频成分和一个直流成分，其中直流成分可以由直流电压表提取出来。比例系数K可通过乘法器外围电路调节和确定。
设图2中取流电阻阻值为R3，图3中分压电路分压比为R2/(R1+R2)，数字电压表显示扩大倍数为1000，则数字电压表的示数为12KUx0Uy0cos(φ2-φ1)×1000]]>=12KU0R2R1+R2I0R3cos(φ2-φ1)×1000]]>=12K×1000×R2R3R1+R2·U0I0cos(φ2-φ1)]]>其中，U0I0cos(φ2-φ1)/2正是换能器的有功功率。选择恰当的K、R1、R2、R3的值，就可使数字电压表的示数恰好等于换能器的有功功率。
图1为外接式超声波耗能功率计的外观示意图。其中1为功率计外壳，其尺寸小于22cm×16cm×11cm，整机重量小于2kg,2和3为Q9接头，分别为超声换能器两端电压和取流电阻两端电压的输入端。4为功率计电源开关，5为数字显示表，显示4位有效数字的以瓦为单位的有功功率值。
图2为功率计与换能器电路连接示意图，包括外接式和内接式。其中7为功率计主体，6为取流电阻，实际可采用2Ω10W的金属膜电阻，其Q值很低，在几百KHZ频率范围内可认为端电压与电流同位相。
图3为功率计主体电路图。其中8为模拟乘法器AD533JH，其全功率带宽750KHZ，输入电压限制范围为+10V。9为输入220V、输出±15V的双极性开关电源，10、11、12均为20kΩ的微型电位器，13为5kΩ的精密电位器。14为7.5 kΩ的固定电阻。9、10、11、12、13、14组成乘法器8的外围电路。15、16分别为81590Ω和410Ω的线绕电阻，它们组成分压比为1∶200的分压电路。17为可调显示比例的数字直流电压表，可显示4位有效数字。
由以上结构，本实用新型可测量常用超声波频段的正弦波信号施加到超声换能器上的有功功率，量程为3kw，负载两端峰值电压限制在2000V。
权利要求1．一种超声波耗能功率计，其特征在于换能器电路中的超声波换能器和取流电阻R3的输出端连接到功率计的X和Y输入端，所述功率计有一模拟乘法器，乘法器前接有一分压电路。
2．按权利要求1所述的功率计，其特征在于分压电路的总电阻大于换能器阻抗幅值两个数量级，取压电阻小于乘法器的输入阻抗两个数量级。
3．按权利要求1或2所述的功率计，其特征在于分压电路的分压比为1∶200。
4．按权利要求1所述的功率计，其特征在于在功率源和超声换能器之间有一取流电阻R3。
5．按权利要求4所述的功率计，其特征在于所述取流电阻为低阻抗、大功率的无感、无容电阻。
专利摘要一种超声波耗能功率计,换能器电路中的超声波换能器和取流电阻R
文档编号G01R21/06GK2445333SQ00254069
公开日2001年8月29日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者陈志雨, 赵羲文 申请人:中国科学院电子学研究所