DE19826549C2 - Ultraschall-Sendekreis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Sende­ kreis, mit einem elektrischen Sender, von dem elektrische, aus einem Strom- und einem Spannungssignal bestehende Schwin­ gungen mit einer elektrischen Sendeleistung über eine Verbin­ dungsleitung in einen Ultraschall-Wandler einspeisbar sind, der hierdurch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist.

In der US 4,970,656 wird ein solcher Ultraschall-Sendekreis beschrieben, bei dem ein elektrischer Sender elektrische Lei­ stung in einen Ultraschall-Wandler einspeist. Über einen Pha­ senregler, dem die gemessenen Strom- und Spannungswerte zuge­ führt werden, wird eine einstellbare Impedanz so angesteuert, daß Strom und Spannung am Ultraschall-Wandler in Phase sind. Die einstellbare Impedanz ist dabei in Serie zu dem Ultra­ schall-Wandler geschaltet. Die einstellbare Impedanz stellt eine gesteuerte Induktivität dar, die als mit insgesamt drei Wicklungen versehener Eisenkern-Wandler ausgebildet ist. Dar­ aus ergibt sich ein sehr voluminöser Aufbau, der nur schwer in einer Ultraschall-Sendeanlage mit mehreren derartiger Ul­ traschall-Sendekreise verwendet werden kann.

Ein derartiger Ultraschall-Sendekreis wird z. B. bei thera­ peutischen Ultraschall-Arrays eingesetzt. Die Verwendung von Ultraschall-Arrays setzt neben einer bestimmten Phasenbele­ gung der einzelnen Ultraschall-Wandler des Ultraschall-Arrays auch eine bestimmte Amplitudenbelegung voraus. Größere Abwei­ chungen von der vorgegebenen Belegung können gravierende Ab­ weichungen vom gewünschten Strahl bewirken, welche unter Um­ ständen sogar Personenschäden zur Folge haben können.

Die vom elektrischen Sender eingespeiste Gesamtleistung läßt sich im allgemeinen sehr präzise vorgeben. Die einzelnen Ul­ traschall-Wandler weisen aber eine Imdedanz auf, welche zum einen fertigungsbedingt von Ultraschall-Wandler zu Ultra­ schall-Wandler stark streut und zum anderen auch betriebsbe­ dingt dynamisch variiert. Aufgrund dieser Impedanzvariationen weicht die Verteilung der abgestrahlten Ultraschall-Amplitu­ den stark von der vorgegebenen elektrischen Amplitudenvertei­ lung der einzelnen elektrischen Sender ab.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschall-Sendekreis zu schaffen, bei dem die Amplitude der abgestrahlten Ultraschall-Schwingungen exakt vorgebbar ist und der sich für eine Anwendung in einer Ultrasachall-Sende­ anlage eignet, die mehrere derartige Ultraschall-Sendekreise umfaßt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Strom- und das Span­ nungssignal einem Phasenregler zuführbar sind, von dem eine an die Verbindungsleitung angekoppelte einstellbare Impedanz derart ansteuerbar ist, daß das Strom- und das Spannungssi­ gnal in Phase sind.

Ein Ultraschall-Wandler verhält sich in Resonanznähe in er­ ster Näherung wie eine Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. Vorzugsweise ist daher die einstell­ bare Impedanz als Induktivität ausgebildet.

Die Phasenlage des Strom- und des Spannungssignals ist noch genauer regelbar, wenn die Induktivität aus einer festen Grundinduktivität und einer einstellbaren, vom Phasenregler ansteuerbaren Zusatzinduktivität besteht.

Eine einstellbare Zusatzinduktivität läßt sich besonders leicht dadurch realisieren, daß die Zusatzinduktivität aus einer Viertelwellenschaltung und mindestens einer an die Viertelwellenschaltung angeschlossenen, vom Phasenregler an­ steuerbaren Kapazitätsdiode besteht.

Ein Regelsignal für die einstellbare Induktivität läßt sich besonders leicht ermitteln, wenn der Phasenregler einen Vier­ quadranten-Multiplizierer mit zwei Signaleingängen und einem Produktausgang aufweist, einem der Signaleingänge ein Phasen­ schieber vorgeschaltet ist, das Strom- und das Spannungssi­ gnal je einem der Signaleingänge zuführbar sind und der Pro­ duktausgang mit der einstellbaren Impedanz verbunden ist. Mittels des Phasenschiebers sind das Strom- und das Span­ nungssignal relativ zueinander um 90° verschiebbar, so daß mittels des Vierquadranten-Multiplizierers die elektrische Blindleistung meßbar ist. Vierquadranten-Multiplizierer sind beispielsweise von der Firma Analog Devices unter der Pro­ duktbezeichnung MLT 04 erhältlich.

Zur Verstärkung des Ausgangssignals des Vierquadranten-Multi­ plizierers ist vorzugsweise dem Produktausgang ein Regelver­ stärker nachgeschaltet.

Die Phasenregelung ist besonders stabil, wenn zwischen dem Produktausgang und dem Regelverstärker ein Tiefpaßfilter an­ geordnet ist.

Mittels der Phasenregelung wird erreicht, daß die vom elek­ trischen Sender eingespeiste Sendeleistung nur eine Wirk-, aber keine Blindleistungskomponente umfaßt. Im Prinzip ist daher eine Regelung der Sendeleistung nicht zwingend erfor­ derlich. Die abgestrahlten Ultraschallschwingungen lassen sich aber noch genauer dosieren, wenn das Strom- und das Spannungssignal auch einem Leistungsregler zuführbar sind, von dem der elektrische Sender derart ansteuerbar ist, daß die elektrische Sendeleistung auf einen Leistungssollwert eingeregelt wird.

Ebenso wie der Phasenregler kann auch der Leistungsregler ei­ nen Vierquadranten-Multiplizierer mit zwei Signaleingängen und einem Produktausgang aufweisen, das Strom- und das Span­ nungssignal je einem der Signaleingänge zuführbar sein und der Produktausgang mit dem elektrischen Sender verbunden sein.

Auch hier ist vorzugsweise wieder dem Produktausgang ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet.

Um die vom elektrischen Sender eingespeiste Leistung variie­ ren zu können, ist vorzugsweise dem elektrischen Sender ein Einspeiseknoten zum Vorgeben des Leistungssollwerts vorge­ schaltet.

Zur noch genaueren Regelung der elektrischen Sendeleistung ist vorzugsweise dem Einspeiseknoten ein Regelverstärker nachgeschaltet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt in Prinzipdarstellung die einzige

Fig. 1 einen Ultraschall-Sendekreis.

Gemäß Fig. 1 weist ein Ultraschall-Sendekreis einen elektri­ schen Sender 1 auf. Der elektrische Sender 1 ist über eine Verbindungsleitung 2 mit einem Ultraschall-Wandler 3 verbun­ den. Die Verbindungsleitung 2 ist gemäß Fig. 1 in der Nähe des Ultraschall-Wandlers 3 als Koaxialleitung 2' ausgebildet.

Vom elektrischen Sender 1 sind elektrische Schwingungen mit einer elektrischen Sendeleistung P in die Verbindungsleitung 2 und somit auch in den Ultraschall-Wandler 3 einspeisbar. Der Ultraschall-Wandler 3 ist hierdurch zu Ultraschall- Schwingungen anregbar.

Die vom elektrischen Sender 1 eingespeisten elektrischen Schwingungen bestehen aus einem Stromsignal I und einem Span­ nungssignal U. Es gilt also

U(t) = U0cosωt und I(t) = I0cos(ωt + ϕ)

wobei U0 die maximale Spannung, I0 der maximale Strom, ω die Kreisfrequenz, t die Zeit und ϕ die Phasenlage zwischen dem Stromsignal I und dem Spannungssignal U sind.

Der Ultraschall-Wandler 3 verhält sich in Resonanznähe in et­ wa wie ein Widerstand mit einer parallelgeschalteten Kapazi­ tät. Folglich eilt der Strom I der Spannung U voraus. Die Phasenlage ϕ liegt also zwischen 0 und 90°, wenn keine weite­ ren Maßnahmen ergriffen werden.

Um zu erreichen, daß das Stromsignal I und das Spannungssi­ gnal U in Phase sind, ϕ also zu 0 wird, sind das Strom- und das Spannungssignal I, U einem Phasenregler 4 zuführbar. Das Stromsignal I wird dabei vor dem Zuführen zum Phasenregler 4 mittels eines Meßwandlers 5 in ein korrespondierendes Span­ nungssignal umgewandelt. Von dem Phasenregler 4 ist dann eine einstellbare Impedanz 6, die an die Verbindungsleitung 2 angekoppelt ist, derart ansteuerbar, daß das Strom- und das Spannungssignal I, U in Phase sind.

Die einstellbare Impedanz 6 besteht aus einer festen Grundin­ duktivität L1 und einer einstellbaren, vom Phasenregler 4 an­ steuerbaren Zusatzinduktivität. Die Zusatzinduktivität be­ steht aus einer Viertelwellenschaltung sowie zwei Kapazitäts­ dioden D1, D2. Die Viertelwellenschaltung wird von zwei Transformationskondensatoren C1, C2 und einer Transformati­ onsinduktivität L2 gebildet. Die Kapazitätsdioden D1, D2 sind vom Phasenregler 4 ansteuerbar. Sie wirken über die Viertel­ wellenschaltung C1, C2, L2 wie eine Induktivität.

Der Phasenregler 4 weist einen Vierquadranten-Multiplizierer 7 mit zwei Signaleingängen E1, E2 und einen Produktausgang A auf. Dem Signaleingang E2 ist ein Phasenschieber 8 vorge­ schaltet. Mittels des Phasenschiebers 8 wird im vorliegenden Fall die Spannung U um (+ oder -) 90° verschoben. Alternativ wäre es auch möglich, den Strom I um (+ oder -) 90° zu ver­ schieben.

Das am Produktausgang A anstehende Signal entspricht somit im Mittel der vom elektrischen Sender 1 in die Verbindungslei­ tung 2 eingespeisten Blindleistung. Zur Glättung dieses Si­ gnals ist dem Produktausgang A daher ein Tiefpaßfilter 9 nachgeschaltet, der die mittlere Blindleistung (inklusive de­ ren Vorzeichen) an einen nachgeschalteten Regelverstärker 10 weiterleitet. Der Regelverstärker 10 steuert dann die Kapazi­ tätsdioden D1, D2 derart an, daß das am Produktausgang A an­ stehende Ausgangssignal im Mittel zu 0 wird.

Wenn das am Produktausgang A anstehende Signal im Mittel 0 ist, befinden sich das Stromsignal I und das Spannungssignal U in Phase. Es wird also nur Wirkleistung in die Verbindungs­ leitung 2 eingespeist. Um die - ausschließlich aus Wirklei­ stung bestehende - Sendeleistung P auf einen Leistungssoll­ wert P* einzuregeln, sind das Strom- und das Spannungssignal I, U auch einem Leistungsregler 11 zuführbar. Von dem Lei­ stungsregler 11 ist der elektrische Sender 1 derart ansteuer­ bar, daß die elektrische Sendeleistung P auf den Leistungs­ sollwert P* eingeregelt wird.

Auch der Leistungsregler 11 weist einen Vierquadranten-Multi­ plizierer 12 mit zwei Signaleingängen E1, E2 und einem Pro­ duktausgang A auf. Auch hier sind wieder das Stromsignal I und das Spannungssignal U je einem der Signaleingänge E1, E2 zuführbar. Im Unterschied zum Phasenregler 4 sind die Signale I, U diesem Vierquadranten-Multiplizierer 11 aber ohne Zwi­ schenschaltung eines Phasenschiebers zuführbar. Das am Pro­ duktausgang A anstehende Ausgangssignal entspricht im Mittel der Sendeleistung P. Zur Glättung des Ausgangssignals ist dem Produktausgang A daher wieder ein Tiefpaßfilter 13 nachge­ schaltet.

Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 13 wird einem Einspei­ seknoten 14 zum Vorgeben des Leistungssollwerts P* zugeführt. Im Einspeiseknoten 14 wird die Differenz aus Leistungssoll­ wert P* und Sendeleistung P gebildet. Diese Differenz wird einem Regelverstärker 15 zugeführt, dessen Ausgangssignal dann dem elektrischen Sender 1 zugeführt wird, so daß die Sendeleistung P nachregelbar ist.

Der obenstehend beschriebene Ultraschall-Sendekreis kann im Prinzip isoliert von anderen Ultraschall-Sendekreisen betrie­ ben werden. Besonders vorteilhaft aber ist die Anwendung in einer Ultraschall-Sendeanlage, die mehrere miteinandergekop­ pelte Ultraschall-Sendekreise aufweist, wobei jeder der Ul­ traschall-Sendekreise wie obenstehend beschrieben ausgebildet ist.

Claims (10)

1. Ultraschall-Sendekreis, mit einem elektrischen Sender (1), von dem elektrische, aus einem Strom- und einem Spannungs­ signal (I, U) bestehende Schwingungen mit einer elektrischen Sendeleistung (P) über eine Verbindungsleitung (2) in einen Ultraschall-Wandler (3) einspeisbar sind, der hierdurch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Strom- und das Spannungs­ signal (I, U) einem Phasenregler (4) zuführbar sind, von dem eine an die Verbindungsleitung (2) angekoppelte einstellbare Impedanz (6) derart ansteuerbar ist, daß das Strom- und das Spannungssignal (I, U) in Phase sind, wobei die Impedanz (6) aus einer festen Grundinduktivität (L1) und einer einstellba­ ren Zusatzinduktivität besteht, und die Zusatzinduktivität aus einer Viertelwellenschaltung (C1, C2, L2) und mindestens einer an die Viertelwellenschaltung (C1, C2, L2) angeschlos­ senen, vom Phasenregler (4) ansteuerbaren Kapazitätsdiode (D1, D2) besteht.

2. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pha­ senregler (4) einen Vierquadranten-Multiplizierer (7) mit zwei Signaleingängen (E1, E2) und einem Produktausgang (A) aufweist, daß einem der Signaleingänge (E1, E2) ein Phasen­ schieber (8) vorgeschaltet ist, daß das Strom- und das Span­ nungssignal (I, U) je einem der Signaleingänge (E1, E2) zu­ führbar sind und daß der Produktausgang (A) mit der einstell­ baren Impedanz (6) verbunden ist.

3. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Produktausgang (A) ein Regelverstärker (10) nachgeschaltet ist.

4. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Produktausgang (A) und dem Regelverstärker (10) ein Tiefpaßfilter (9) angeordnet ist.

5. Ultraschall-Sendekreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strom- und das Spannungssignal (I, U) auch einem Leistungs­ regler (11) zuführbar sind, von dem der elektrische Sender (1) derart ansteuerbar ist, daß die elektrische Sendeleistung (P) auf einen Leistungssollwert (P*) eingeregelt wird.

6. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Leistungsregler (11) einen Vierquadranten-Multiplizierer (12) mit zwei Si­ gnaleingängen (E1, E2) und einem Produktausgang (A) aufweist, daß das Strom- und das Spannungssignal (I, U) je einem der Signaleingänge (E1, E2) zuführbar sind und daß der Produkt­ ausgang (A) mit dem elektrischen Sender (1) verbunden ist.

7. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Produktausgang (A) ein Tiefpaßfilter (13) nachgeschaltet ist.

8. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem elek­ trischen Sender (1) ein Einspeiseknoten (14) zum Vorgeben des Leistungssollwerts (P*) vorgeschaltet ist.

9. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einspeiseknoten (14) ein Regelverstärker (15) nachgeschaltet ist.

10. Ultraschall-Sendeanlage, mit mehreren miteinander gekop­ pelten Ultraschall-Sendekreisen nach je einem der obigen An­ sprüche.