DE2721225C2 - Schaltungsanordnung zur Frequenz- Selbststeuerung eines Ultraschall- Sendewandlers - Google Patents

Description

elektronischen Schaltung unkritisch macht

Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist Weitere Ausgestaltungen un-'J Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine z. B. an sich bekannte elektronische Schaltungsanordnung zur elektrischen Anregung eines Ultrascha'I-Wandlers zr. ergänzen, so daß diese ergänzte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusammen mit dem Ultraschall-Wandler in der Lage ist selbsttätig einen Resonanzfrequenzweit für günstige Anregung zu Finden, und zwar für einen vom Anwender vorgegebenen, für geeignet gehaltenen Schwingungs-Mode des Wandlers. Der Schwingungs-Mode kann dabei ein Grundresonanz-Mode oder auch ein Oberwellenresonaiiz-Mode sein, z. B. für einen Dickenschwinger, einen Längsschwinger, einen Biegeschwinger oder dergleichen.

Nachfolgend soll die Grundidee der Erfindung der Einfachheit halber an dem mit F i g. 1 wiedergegebenen Prinzipschaltbild nach Art eines Flußdiagrammes erläutert werden.

In F i g. 1 ist mit 30 der Ultraschall-Sendewandler bezeichnet Dieser kann im Einzelfall auch Ultraschall-Empfangswandler sein, nämlich in den Pausen zwischen Ultraschall-Sendeimpulsen.

Die elektrische Anregung des Sendewandlers 30 erfolgt mit einer Oszillatorwechselspannung, die von einem Oszillator 233 erzeugt wird. Aus dieser Oszillatorwechselspannung werden in der Torschaltung 42 entsprechend der Taktsteuerung eines mit der Torschaltung verbundenen Sendetaktgenerators Sendeimpulse erzeugt, die nach Verstärkung in einem Leistungsverstärker 44, wie aus der F i g. 1 ersichtlich, dem Sendewandler 30 entsprechend impulsmäßig zugeführt sind.

Eine solche wie voranstehend beschriebene Schaltungsanordnung für die impulsgetaktete Sende-Wechselspannung ist bekannt und beispielsweise in der Schaltungsanordnung der DE-Patentschrift 27 21 254 enthalten.

Nachfolgend werden die erfindungsgemäß vorgesehenen weiteren Schaltungsteile beschrieben, durch deren zusätzliches Vorhandensein die der vorliegenden Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe gelöst wird. Mit 51 ist ein taktweise steuerbarer Vorimpuls-Generator bezeichnet, mit dem vorzugsweise über den Verstärker 44 dem Sendewandler zuzuführende Vorimpulse erzeugt werden. Sinn dieses Vorimpuls-Generators ist, zwischen zwei auf den Sendewandler 30 gelangenden Betriebs-Sendeimpulsen der Torschaltung 42, und zwar zeitlich relativ dicht vor einem solchen Betriebs-Sendeimpuls, dem Sendewandler einen oder mehrere Vorimpulse zuzuführen, der oder die in ihrer Höhe und Dauer ausreichend sind, den Sendewandler 30 zu einer Resonanzschwingung anzustoßen. Nach diesem Anstoßen des Sendewandlers 30 erfolgt ein Ausschwingen des Wandlers, und zwar mit einer für das spezielle Wandlerexemplar unter den im Augenblick speziell vorliegenden Bedingungen typischen Resonanzschwingungsfrequenz. Damit der Sefidewandler im Betriebsfall auf der Resonanz des vorgegebenen Schwingungs-Mode schwingt, wird die Frequenz der Oszillatorwechselspannung wenigstens angenähert gleich der Resonanzfrequenz dieses Schwingungs-Mode gemacht. Da mit auch das Anstoßen durch den Vorimpuls zu diesem vorgegebenen Schwingungs-Mode führt, wird die Trägerfrequenz dieses Vorimpulses und/oder bei einer Folge mehrerer Vorimpulse deren jeweiliger Zeitabstand voneinander so gewählt <?aß eine wenigstens weitgehende Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz des Wandlers 30 für den vorgegebenen Schwingungs-Mode besteht Damit ergibt sich bereits eine weitgehende Obereinstimmung einer Periodizität

ίο der Vorimpulse mit der Periodizität der Oszillatorwechselspannung des Oszillators 233.

Das Ausschwingen des Oszillators kann am elektrischen Eingang des Sendewandlers 30 in Form eines elektrischen Wechselspannungssignals abgenommen

ts werden, weil der Sendewandler 30 nicht nur ein elektromechanischer Wandler, sondern auch in reziproker Weise bekanntermaßen ein mechanisch-elektrischer Wandler (Empfangswandler) ist Dieses im Verlauf der Dauer des selbständigen Ausschwingens des Sende wandlers abgenommene elektrische Signal wird dem Phasendiskriminator 132 zugeführt, dem außerdem Oszillatorwechcelspannung des Oszillators 233 zugeführt wird. Von: Phasendiskriminator 132 wird die gegenseitige Phasenlage dieser beiden zugeführten Signale verglichen und ein Vergleichersignal über einen Verstärker einer weiteren Torschaltung 53 zugeführt. Diese Torschaltung 53 hat im wesentlichen Umschaltfunktionen, wie dies in der F i g. 1 symbolisch dargestellt ist Die in F i g. 1 eingetragene Schaltverbindung der Torschaltung 53 gehört zu einem Zeitpunkt in dem vom Phasendiskriminator 132 über den Verstärker und diese Torschaltung 53 ein Signal direkt an den Eingang 56 des Oszillators 233 gelangt Mit diesem am Anschluß 56 auftretenden elektrischen Signal kann der Oszillator 233, der z. B. ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist bezüglich seines Frequenzwertes der Oszillation gesteuert werden.

Der Oszillator 233 läßt sich somit derart steuern, daß seine Oszillatorfrequenz auf den Frequenzwert der Eigenresonanzfrequenz des Sendewandlers 30 während des Ausschwingens nachgeregelt wird. Damit diese Frequenzsteuerung des Oszillators 233 auch in den Zeitintervallen erfolgt, in denen kein eigenes Ausschwingen des Sendewandlers 30 vorliegt, d.h. auch während der Anregung durch den Betriebs-Sendeimpuls der Torschaltung 42, ist ein Speicher 55 vorgesehen, der das jeweilige Ausgangssignal des Phasendiskriminators 132 speichert In diesen Speicher 55 gelangt dieses Signal über die Beladeschaltung 54. Diese Beladeschal tung kann eine einfache galvanische Verbindung zwischen dem Schaltungspunkt 56 und dem Eingang des Speichers 55 sein. Während der erwähnten übrigen Intervalle ist die Torschaltung 53 umgeschaltet, so daß vom Speicher 55 weiterhin ein dem Ausgangssignal des Phasendiskriminators 132 entsprechendes Signa! an den Oszillator 233 gelangt

Der Speicher 55 kann ein einfacher Kondensator sein, da das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 132 im üblichen praktischen Falle ein Gleichspannungssignal ist.

Die zeitliche Aufeinanderfolge der einzelnen Abläufe, d. h. die Zuführung der Vorimpulse, dann die Signalabnahme am Wandler 30 mit Signalzuführung in den Phasendiskriminator 132, das Umschalten der weiteren Torschaltung 53 und das Ansteuern des Sendetaktes 142 bzw. der Torschaltung 42 geht von einem zentralen PLL(Phaseneinfangschleife)-Taktgenerator 145 aus, wie dies schematisch in F i g. 1 angedeutet ist.

Einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die frequenzmäßige Steuerung des Oszillators 233 bzw. der Oszillatorwechselspannung für den Sendewandler von z. B. statistischen Schwankungen unabhängig zu machen, die für einzelne Abfragevorgänge des Frequenzwertes des Ausschwingens des Sendewandlers auf'reten können. Das Prinzip der Eigensteuerung soll jedoch nicht verlassen werden. Der Lösung dieser Aufgabenergänzung liegt der Gedanke zugrunde, momentan immer nur eine teilweise Frequenznachführung vorzusehen, die proportional zum Signal am Ausgang des Phasendiskriminators 132 jeweils während der Abfragedauer herrschenden Ausgangssignals ist. Statistische Einzelwerte kommen damit nicht zur Geltung, wohingegen Änderungstendenzen nach wie vor erfaßt bleiben.

Eine einfache Ausführungsform dieser Weiterbildung besteht, wie aus der Te i 1 f i g. la zu ersehen ist, darin, daß für den Fall, daß der Speicher 55 ein Kondensator C\ ist, anstelle einer wie ohen beschriebenen galvanischen Verbindung die Beladeschaltung 54 als Widerstand realisiert wird. Dieser Widerstand R wird so bemessen, daß sich:

k ■ R ■ Q = Va

ergibt,

wobei τ'λ die Abfragedauer während des Ausschwingens des Wandlers ist und Jt das wählbare Maß für die nur teilweise Frequenznachführung während jeweils eines Zyklus ist Zu bevorzugende Werte für Jk liegen zwischen Jt = 0,01 und k — 0,1.

Die vom Schaltungspunkt 56 ausgehende Einspeicherung in den Speicher 55, d. h. die Änderung seines augenblicklichen Speicherzustandes, erfolgt dann somit über diesen Widerstand der Beladeschaltung 54 in gedämpfter, aber dennoch proportionaler Weise, so daß Phasendiskriminator-Ausgangssignale einzelner extremer Frequenz- bzw. Phasenabweichungen (die während der Abfragedauer τ α von ζ. Β. zehn Schwingungsperioden stattfinden) zwischen Wechselspannung des Ausschwingvorganges und Oszillatonvechselspannung in nur erheblich (um den Faktor k) abgeschwächter Wirkung im Speicher 55 aufgenommen werden. Die bei diesem Zyklus erfolgende Steuerung des Oszillators 233 am Eingang 56 bewirkt dann keine unerwünscht sprunghafte Änderung der Frequenz der Oszillatorwechselspannung, die zu wiederum sprunghafter Änderung derjenigen Phase führen würde, die bei Vergleich des folgenden Zyklus am Phasendiskriminator 132 anliegt

Eine andere Ausführungsform der Weiterbildung zur Lösung dieser Aufgabenergänzung gibt die Teiif i g. 1 b an. Dort ist die Beladeschaltung als Kondensator C2 gegen Masse (ohne dauernde galvanische Verbindung mit dem Speicher 55), sondern jeweils kurzzeitig über die weitere Torschaltung 53 parallel zum Kondensator Q des Speichers 55 realisiert. Einzelne extreme Ausgangssignale des Phasendiskriminators 132 treten zwar am Kondensator Ct auf, werden aber beim Obertragen auf den um den Faktor l/Ar größeren Kondensator Ci ebenfalls proportional abgeschwächt, so daß auch bei dieser Weiterbildung der Ladezustand des Speichers 55 keine extremen Änderungen erfährt. C2 wird dazu z. B. lOOmal kleiner als C\ gewählt

Die beiden voranstehend erwähnten Weiterbildungen sind insbesondere für den nachfolgend erläuterten speziellen Anwendungsfall einer wie erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung von besonderem Interesse. Dieser spezielle Anwendungsfall besteht darin, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Frequenz-Selbststeuerung des Ultraschall-Sendewandlers in der Schaltungsanordnung der schon erwähnten Patentschrift 27 21 254 anzuwenden.

Ein vollständiges Schaltbild einer einerseits der genannten Patentanmeldung entsprechenden, andererseits die vorliegende erfindungsgemäße Schaltungsan-Ordnung enthaltenden Schaltung ist in allen Einzelheiten in der (auf zwei Blätter aufgeteilten) F i g. 2 angegeben. In der Schaltungsanordnung der Fig.2 ist der Sendewandler, der vorzugsweise auch als Empfangswandler verwendet wird, mit 30 bezeichnet. Der Sendewandler erhält aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 233 (kenntlich gemacht durch die ihn umrahmende Linie) über die Torschaltung 42 und den Verstärker 44 sein impulsmäßig getaktetes Anregungssignal. Die Torschaltung 42 wird vom Taktgenerator 142 gesteuert Mit 145 ist der zentrale PLL-Taktgenerator kenntlich gemacht. Mit 51 ist wiederum der Generator für die Vorimpulse bezeichnet Mit 53 ist die weitere Torschaltung, symbolisch mit Schaltern dargestellt, bezeichnet. Der mit 54 bezeichnete Widerstand ist die Beladeschaltung 54 der Fig. 1, und zwar in der ersten Alternative der erwähnten Weiterbildung. Der Speicher ist der in Fig.2 ebenfalls mit 55 bezeichnete Kondensator. 56 gibt den Schaltungspunkt an, der der Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators

to 233 ist.

Der noch in der F i g. 1 angegebene Phasendiskriminator 132 ist in der Schaltung der F i g. 2 ebenfalls mit 132 bezeichnet. Für die Funktion als Phasendiskriminator wird in der Schaltung der F i g. 2 ein Phasendiskriminator für den Phasenvergleich zwischen aufeinanderfolgenden Empfangssignalen, die auf Empfang an einem Objekt reflektierter, zuvor ausgesandter Ultraschall-Strahlung beruhen, verwendet Erfolgt nämlich diese Reflexion ausgesandter Ultraschall-Strahlung an einem bewegten Objekt, unterscheidet sich die jeweilige Phasenlage der Empfangssignale des Ultraschall-Empfangswandlers, die auf jeweils reflektierten Anteilen der einzelnen aufeinanderfolgenden Ultraschall-Betriebs-Sendeimpulse beruhen.

Weitere Schaltungseinzelheiten sind die Empfängerschaltung 31, in der der Phasendiskriminator 132 und eine Speicherschaltung 35 enthalten sind. Diese Speicherschaltung 35 ist beispielsweise eine »sample and hold«-Schaltung, an die Ausgangssignale des Phasendiskriminators 132 während eines Empfangssignals reflektierter Ultraschall-Strahlung am Schaltungspunkt 37 gelangen. An dem Schaltungspunkt 36 liegt das Auslesetaktsignal für die Speicherschaltung 35 an. Die Auswerteschaltung 38 (in der Figur rechts von der Empfängerschaltung 31) enthält eine Vergleicherschaltung 39, die hier im wesentlichen ein Transistor ist Die logische Schaltung 40 bewirkt eine Schwellenfunktion, zugehörig zu der Vergleicherschaltung 39. Am Schaltungspunkt 41 tritt das Ausgangssignal dieser hier

bo dargestellten Schaltungsanordnung, die die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einschließt eof. Mit 46 ist der Anschluß für die Versorgungsspannung von z. B. 12 Volt bezeichnet

Die in der F i g. 2 dargestellte Schaltung ist für die

es Verwendung zur berührungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d.h. zur Steuerung dessen Magnetventils 43, geeignet Sie ist nicht nur gegen Fehlauslösung und sogar böswillige Störung gesichert, sondern sie ist

aufgrund der erfindungsgemäßen Ergänzung auch gegen solche Störungen unempfindlich, die auf Alterung und Exemplarstreuung des Wandlers 30, der elektronischen Bauteile der Schaltung und/oder auf Verschmutzung bzw. Befeuchtung oder Bespritzen des Wandlers zurückzuführen sind. Die oben angegebene Weiterbildung, z. B. in der Alternative als Widerstand oder als weiterer Kondensator der Beladeschaltung 54, gewähr-

leistet, daß die Selbststeuerung der Anregungsfrequenz des Wandlers 30 gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung so behutsam und deren Frequenzänderung so langsam erfolgt, daß diese Frequenzsteuerung nicht in den Phasenvergleich des Detektionsbetriebes der Ereignisdetektion eingreift, nämlich den Phasenvergleich der Reflexionssignale aufeinanderfolgender Betriebs-Aussendeimpulse nicht stört.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 ein an ihrem zweiten Eingang (36) anliegendes Patentansprüche: Auslesetaktsignal zugeführt ist 5. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach

1. Schaltungsanordnung, vorgesehen für einen in Anspruch 4 zur berührungslosen Steuerung des

Resonanzschwingung anzuregenden Ultraschall- 5 Magnetventils eines Wasserhahnes. Sendewandler, der auch die Eigenschaft hat bei

mechanischer Schwingungserregung eine elektri-

sehe Wechselspannung abzugeben, mit einem Oszillator für die Sende-Anregungsoszillatorwech-

selspannung und mit einer getakteten Torschaltung io Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordzum impulsweisen Zuführen der Osziilatorwechsel- nung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 spannung an den Sendewandler, gekennzeich- angegeben ist

net durch einen in seiner Frequenz steuerbaren Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von

Oszillator (233), durch einen mit dem Sendewandler Ultraschall-Wandlern zur Aussendung von Ultraschall-(30) parallel zur Anordnung aus Oszillator (233) und 15 Wellen bekannt Ultraschall-Wellen werden nicht nur Torschaltung (42) verbundenen Vorimpulsgenerator für mechanische Arbeitsprozesse, sondern auch für (51), durch einen einerseits mit dem Eingangsan- Ortungszwecke im aügemeinen Sinne verwendet Eine Schluß (130) des Sendewandlers (30) und anderer- spezielle Ortungsanwendung ist die Verwendung von seits mit dem Ausgangsanschluß des Oszillators Ultraschall für Einbruchs-Sicherungsanlagen. Eine an-(233) verbundenen Phasendiskriminator (132), durch 20 dere bekannte Verwendung ist die zur berührungslosen eine weitere Torschaltung (53), die zwischen den Steuerung der öffnung eines Ventils, insbesondere eines Ausgangsanschluß des Phasendiskriminators (132) Wasserhahnes.

und einen Steuereingang (56) des Oszillators (233) Für die Ultraschall-Aussendung sind insbesondere

geschaltet ist, durch einen über eine Beladeschaltung Ultraschall-Wandler aus piezoelektrischer Keramik, (54) mit dem Steuereingang (56) des Oszillators (233) 25 z.B. aus Bleizirkonat-Titanat bekannt Derartiges verbundenen Speicher (55)^ der außerdem mit einem polarisierbares Piezokeramikmaterial hat eine große zweiten Eingang der weiteren Torschaltung (53) Leistungsfähigkeit, so daß erhebliche Uliraschall-Leiverbunden ist, sowie durch einen PLL-Taktgenera- stungen mit zudem relativ gutem Wirkungsgrad aus tor (145), der zur jeweiligen Taktsteuerung mit dem zugeführter elektrischer Anregungsenergie erzeugt Vorimpulsgenerator (51), mit der Torschaltung (42) 30 werden können. Besonders hohe Leistungserzeugung und mit der weiteren Torschaltung (53) verbunden erhält man bei Resonanzbetrieb des Ultraschall-Wandist, wobei die Taktgabe des PLL-Taktgenerators lers, d. h. bei Anregung desselben in einem Eigenschwin-(145) so bemessen ist, daß in einem Zyklus zunächst gungs-Mode. Allerdings ist dieser Ultraschall-Wandler eine Taktgabe an den Vcrimpulsgenerator (51) bei derartigem Betrieb relativ schmalbandig, so daß erfolgt nach einer Pause für das impulserregte 35 Abweichungen zwischen der Eigenschwingungsfre-Anschwingen und das selbsttätige Abschwingen des quenz des Wandlers und der Frequenz der elektrischen Sendewandlers (30) eine Taktgabe an die weitere Anregungsspannung zu Leistungsminderungen und Torschaltung (53) erfolgt, durch die das Phasenver- Verringerungen des Wirkungsgrades führen. In diesem gleichssignal des Phasendiskriminators (132) über Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß Piezokeradiese weitere Torschaltung (53) dem Steueranschluß 40 mikmaterial einer mehr oder weniger starken, zumin-(56) des Oszillators (233) zugeführt ist und den dest aber nicht vernachlässigbaren Alterung — Zyklus abschließend der Torschaltung (42) ein Takt insbesondere auch seiner Polarisation — unterliegt, und

j, für die Zuführung des Betriebs-Sendeimpulses an zwar mit dem Ergebnis von Änderungen der Eigenre-

r den Wandler (30) gelangt, und wobei bei Nichtanlie- sonanzfrequenz.

ί· gen eines Taktes des PLL-Taktgenerators (145) an 45 Über die vorgenannten materialspezifischen Gründe

der weiteren Torschaltung (53) der Speicher (55) hinaus sind über die technische Serienanwendung

;< über die weitere Torschaltung (53) mit dem Resonanzfrequenzabweichungen zu berücksichtigen,

Steuereingang (56) des Oszillators (233) verbunden die in der Exemplarstreuung serienmäßig hergestellter

p ist Ultraschall-Wandler liegen, selbst wenn große Sorgfalt

K 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekenn- 50 bei deren Herstellung angewandt wird.

zeichnet dadurch, daß die Beladeschaltung (54) ein Weitere Ursachen für Resonanzfrequenzänderungen

; Widerstand ist. sind Verschmutzung und/oder Befeuchtung des Wand-

|:i: 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekenn- lers.

f.; zeichnet dadurch, daß die Beladeschaltung (54) ein Darüber hinaus haben Anwender von Ultraschalles Kondensator (C₂) ist und daß der Speicher (55) ein 55 Sendewandlern mit Schwierigkeiten zu kämpfen, die

j Kondensator (Q) ist, wobei der Kondensator (Q) sich aus Streuungen, Toleranzen und Alterungen von

[ klein gegenüber dem Kondensator (C₂) ist. Bauteilen der elektronischen Anregungsschaltung erge-

' 4. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach ben, nämlich weil die Alterungscharakteristika der

einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer solchen Keramikwandler einerseits und der elektronischen

Ii Schaltungsanordnung, die des weiteren eine Emp- 60 Bauelemente andererseits völlig verschieden sein

[I; fängerschaltung (31), in der außer dem Phasendiskri- können und zu unterschiedlichen Frequenzveränderun-

i. minator (132) auch noch eine weitere Speicherschal- gen führen.

^; tung (35) enthalten ist, und eine Auswerteschaltung Es liegt mithin der Erfindung die Aufgabe zugrunde,

; (38) mit einer Vergleicherschaltung (39) hat, wobei eine Schaltungsanordnung für die Anregung eines

; während eines Empfangssignals reflektierter Ultra- 65 Ultraschall-Sendewandlers zu finden, die die voranste-

schall-Strahlung Ausgangssignale des Phasendiskri- henden Nachteile behebt, insbesondere Alterung der

minators (132) über einen ersten Eingang (37) in Keramik, Exemplarstreuung in der Serienfabrikation

diese weitere Speicherschaltung (35) gelangen, der der Wandler und Empfindlichkeit gegen Toleranzen der