DE2150730A1 - Ultraschall-Untersuchungsgeraet - Google Patents

Description

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DR. HEINRICH HERMELINK

_tMü»*e»60_fApollow*9,TeUlW57Q München, den "· UKf. J^

27/023 215073Ö

MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD., 10^8, Oaza Kadoma,

Kadoma-shi, Osaka/Japan

Ultraschall-Untersuchungsgerät

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Untersuchungsgerät mit einem Sender, bestehend aus einem frequen^bestimmenden Oszillator, Verstärker und Sendewandler, und einem Empfänger, bestehend aus Empfangswandler und Verstärker. Die Ausgangsspannung des Verstärkers dient beispielsweise zur Betätigung eines Schalters.

Wenn Sende- und Empfangswandler einander gegenüber aufgestellt sind und beispielsweise ein Mensch oder ein anderes Hindernis zwischen die beiden Wandler kommt, soll die auf den Kmpfangswandler fallende Ultraschallintensität so weit absinken, daß der Schalter betätigt wird und irgendwelche Überwachungsfunktionen auslöst. Wegen der starken Beugung der Ultraschallwellen ist aber die Intensitätsschwächung häufig zu gering, um eine Auslösung des Schalters zu gewährleisten.

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In der IIS-Patentschrift 3 O65 455 ist ein Ultraschall-Untersuchungsgerät beschrieben, das auf der Senderseite keinen frequenzbestimmenden Oszillator aufweist. Ein Teil der Ausgangsspannung des Empfangsverstärkers wird auf den Sendeverstärker positiv rückgekoppelt. Da aber kein eigener Oszillator auf der Sendeseite vorgesehen ist, ist die Betriebafrequenz der Anordnung instabil, weil sie ausschließlich durch den selbsterregten Sendeverstärker, die Schaltungskonstanten usw. bestimmt ist. Dies kann zu gegenseitigen Interferenzen führen, wenn zwei oder mehr Geräte dieser Art nebeneinander angeordnet sind. Die dadurch entstehenden Schwebungen sind sehr unerwünscht, weil sie unbeabsichtigte Auslösungen der Uberwachungsschalter herbeiführen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs erwähnte Gerät , so zu verbessern, daß einerseits die Empfindlichkeit gesteigert und andererseits die Gefahr gegenseitiger Interferenzen ausgeschaltet wird.

Zu diesem Zweck 1st das erfindungsgemäße Ultrnschn.il-Untersuchungsgerät gekennzeichnet durch -einen an den Empfangsverstärker angeschlossenen Gleichrichter und eine positive RUckkopplungsschleife von dem Gleichrichter- zudem Sender über eine Stufe mit regelbarer Verstärkung.

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Dank der Erfindung läiit sich die Ab schal t charakteristik des Gerätes frei wählen, ohne daß Interferenzen benachbarter Geräte, befürchtet werden müssen.

Einige Ausführüngsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:

• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausfülirungsform der
Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 A das Schaltbild eines Verstärkers mit regelbarer ] Verstärkung,

Fig. 3 B das Schaltbild eines Dämpfungsgliedes mit regelbarer Dämpfung,

Fig. h die grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Feldschwächung und Abschaltpegel,

Fig. 5 eine Skizze zur Erläuterung der Ausbreitungsverhältnisse der Ultraschallwellen
und

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Fig. 6 das Schaltbild eines praktischen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In dem Ausführungsbeiispiel nach Fig. 1 bilden ein Oszilla- ■; tor A konstanter Frequenz, ein Verstärker B mit regelbarer Verstärkung und ein Sendewandler C den Sender S, wahrend der Empfänger R aus einem Empfangswandler D, einem Empfangsverstärker E, einem Gleichrichter F und einem Schalter G besteht·. Vom Gleichrichter F führt eine positive Rückkopplungsschleife H zum Sendeverstärker B. Ferner ist ge- _: gebenenfalls ein Schalter I auf der Sendeseite vorgesehen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 nur darin, daß der regelbare Ver- .■ stärker B durch ein regelbares Dämpfungsglied J ersetzt ist, dem ein normaler Verstärker K nachgeschaltet ist.

Die Ausbreitungsverhältniese eines solchen Ultrnschali-Untersuchungsgerätes sind in Fig. 5 skizziert. Die Ultraschallwellen gelangen nicht nur direkt vom Sender S zum V. Empfänger R, sondern werden auch an den Wänden des Raumes u. dgl. gestreut. Wenn der direkte Strnhl N durch ein Hindernis M unterbrochen wird, kann ein beträchtlicher Anteil der Ultraschallenergie doch noch über den an der Wand reflektierten Strahl L zum Empfänger gelangen.

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BAD

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Deswegen ist keine zuverlässige Abschaltung gewährleistet, wenn die Empfindlichkeit des Gerätes gesen Intensitritsänderungen nicht gesteigert werden kann. Diese Empfindlichkeit ssteigerung wird durch die Rückkopplung bewirkt.

Beim Betrieb des Gerätes nach Fig. 1 gibt der Oszillator A eine Ultraschallfrequenz (kO kHz) ab, die dem regelbaren Verstärker B zugeführt wird. Die Ausgangsenergie des Verstärkers wird dann auf den mechanischen Schwinger im Sendewandler C gegeben, der eine Ultraschallwelle an die Luft abgibt. Wenn diese"Ultraschallwelle auf den Empfangswandler D fällt, so wird in diesem eine schwache Spannung induziert, die verstärkt und gleichgerichtet wird. Ein Teil der gleichgerichteten Spannung wird über die Rückkopplungsschleife H auf den Verstärker B gegeben, um dessen Verstärkungs- ^: grad so zu steuern, daß die ausgesandte Ultraschallwelle mit zunehmender Empfangsintensität stärker wird*

Im Falle der Fig. 2 wird statt des steuerbaren Verstärkers ein steuerbares Dämpfungsglied verwendet.

Fig. 3A und 3B zeigen die Schaltungen des steuerbaren Verstärkers und des steuerbaren Dämpfungsgliedes.

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¥enn nun ein Hindernis M zwischen Sendewandler und Erapfangswandler gemäß Fig. 5 eingeführt wird, nimmt die Intensität des empfangenen Signals ab; diese verringerte Empfangsspannung wirkt über die Rückkopplungsschleife H auf den Sender zurück» so daß die vom Sendewandler abgegebene Schallintensität abnimmt. Dadurch v.ird die von dem Hindernis M erzeugte Veränderung des Empfangssignals trotz der Streuung über den Umweg L so kräftig, daß der mit dem Empfänger verbundene Schalter sicher betätigt werden kann.

Diese Verhältnisse sind in Fig. h dargestellt. Die gestrichelte Linie stellt den Verlauf der Eingangsintensität des Empfangswandlers in Abhängigkeit von der Abschirmung des Senders ohne Rückkopplung dar, während die ausgezogene Kurve eich auf den Fall mit Rückkopplung bezieht. Wie man sieht, ist die letztere Kurve insbesondere im Bereich des Schaltpegels erheblich steiler, d. h. die Änderung der Eingangsintensität mit einer bestimmten Abschirmung ist weit größer. Der Kleinstwert der Eingangsintensitat soll so eingestellt werden, daß die Anordnung dem Signalpegel zustrebt, der" erforderlich ist, um in Abwesenheit des Hindernisses M In den ursprünglichen Zustand zurückzukehren.

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Mit diesem Gerät läßt sich also eine sehr stabile Abschaltung erreichen, und zwar auch dann, wenn das Gerät z. B. in der Nähe einer Wand angebracht ist. Gegebenenfalls kann die Schwingfrequenz durch entsprechende Ausbildung des Oszillators frei gewählt werden.

Fig. 6 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Er findung.

Ein Transistor Tr in Colpitts-Schaltung dient als Oszillator, der die Ultraschallfrequenz liefert. Die Oszillatorschaltung A enthält die Vorwiderstände R₁ und R , die
Wicklung L, die Kondensatoren C₁ und C₀ als frequenzbestimmende Elemente. R_ und R_ sind als Spannungsteiler
geschaltete Emitterwiderstände, an denen ein Schwingsignal abgenommen werden kann.

Dieses Signal wird über einen Widerstand R. und Kondensatoren C„ und C. auf die Basis eines Ausgangstransistors Tr gegeben. Der Widerstand R. ist ein Trennwiderstand, der verhindert, daß die Schwingfrequenz durch Veränderungen der nächsten Stufe beeinflußt wird.

Der Verstärker B enthält einen Transistor Tr mit Vorwiderständen R_ und R₀ und dem Emitterwiderstand R_{1 Λ} , der

I ο -Li.

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vom Kondensator C überbrückt wird. Das im Transistor Tr verstärkte Signal wird über einen Ausgangstransforinator OPT auf den Ultraschall schwinger V gogeben, dei* lUtrnschallwellen an die Luft abgibt.

In der Rückkopplungsschleife H liegen ein Widerstand R und ein temperaturabhängiger Widerstand Th zur Temperaturkompensation des Sendeverstärkers. Der Widerstand H_n und die Diode D₁ dienen zur Steuerung des Verstärkungsgrades in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Stromstärke.

Im Empfänger werden die vom Empfangsschwinger V₀ aufgenommenen schwachen Signale in den Transistoren T· und T_ verstärkt. Der Widerstand R₁J, dient als Vorwiderstand für den Transistor Tr„ und als Lastwiderstand für den Tran-

sistor Tr. . Der Widerstand R-, g wirkt als Vorwiderstand des Transistors Tr^ und liefert eine Gleichstromrückkopplung. Im Emitterkreis des Transistors Tr^ liegen die Widerstände R, .₇ und VR; der veränderbare Widerstand VR verändert den Stromfluß durch einen Überbrückungslcondensator C , so daß der Wechselstromanteil der Rückkopplung und damit . der Verstärkungsgrad gesteuert werden kann. Der Wideretand R₁- dient zur Verhinderung der Selbsterregung, die auftreten könnte, wenn der Kondensator C unmittelbar mit dem Emitter des Transistors Tr_ verbunden würde. Der Widerstand

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VR wird so eingestellt, daß der Verstärkungsgrad bei großem Abstand zwischen Sende- und Empfangsviindler erhöht wird, während bei geringerem Abstand der Verstärkungsgrad herabgesetzt werden kann. Der Lastwiderstand des Transistors Tr _ ist mit R_n_ bezeichnet.

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Im Gleichrichter F wird das über den Kondensator C,- zugefiihrire ¥echselstromsignal mittels der Dioden D und D einer Zweiweg-Gleichrichtung unterworfen und dann vom

Kondensator C₀ geglättet. Die Intensität "der einfallenden ο ^

Ultraschallwelle wird in einem Meßinstrument M¹ gemessen, dem die negative Ausgangsspannung über die Diode D. und : den Widerstand R.« zugeführt wird. Die Diode D, dient zur Verhinderung eines Ausschlags des Meßinstruraents in umgekehrter Richtung infolge der über die Widerstände R₁ und R₁_ zugeführten positiven Spannung. ' -,„

Die Schaltvorrichtung G enthält einen Schalttransistor Tr/-, an dessen Basis die von der Sekundärseite des Aus- . . -

gangstransformators OPT abgeleitete Sendeschwingspannung nach Gleichrichtung in der Diode D₆. angelegt wird. Da das Relais dieser Schaltvorrichtung ansprechen soll, wenn die Ausgangsspannung absinkt, wird die gleichgerichtete negative Spannung der Basis dee Traneistors Tr^ über einen Widerstand R._q zugeführt. Der Transietor Tr₆ wird leitend,

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weil zu seiner Basis ein Strom über Widerstand R fließen kann; die Widerstandswerte R₁Qf R_9n und R sind so gewählt, daß der Transistor im Falle des Vorhandenseins einer Schwingspannung gesperrt wird. Die Speisespannung wird an riner Zenerdiode ZD abgenommen, die über Netztransformator DT, Gleichrichter BD und Siebschaltung ^C _1O» ^c _x1t R_Oo ^init Gleichspannung versorgt wird.

Am Kondensator C₀ tritt eine der empfangenen Ultraschall-

intensität entsprechende negative Gleichspannung auf, durch die der Transistor Tr_p, der einen Regelverstärker darstellt, gesteuert wird. Da Tr abschalten soll, wenn die Empfangsintensität groß ist, wird die negative Spannung vom Kondensator C₀ der Basis des Transistors Tr über einen Widerstand R₁O zugeführt. Wenn dagegen die Empfangsintensität ganz oder nahezu verschwindet, wird die Spannung am Kondensator C_R gleich Null« Da aber der Transistor Tr-_O jetzt leitend werden soll, wird die positive Speisespannung dem Transistor über Widerstand R₁₉ zugeführt. Der Widerstand R,-, ist gemäß der Empfangsintensität, die zur Sperrung des Transistors Tr_? führen soll, einzustellen.

Wenn ein Gleichstrom entsprechend dieser Empfangsintensität zur Basis des Transistors Tr fließt, wird dieser: Transistor leitend und der Strom fließt durch den Widerstand ^₁₀»

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die Diode D und den Widerstand R,- zum Transistor Tr₉. Nimmt die Eingangsspannung an der Basis dos Transistors Tr₀ zu, so wird das Eingangssignal des Transistors Tr„ über den Widerstand R^ geerdet, wodurch die* Hingangsspannung zunimmt und der Innenwiderstand dor Diode D abnimmt. Infolgedessen wird der Rückkopplungsgrad verstärkt und der Verstärkungsgrad des Transistors Tr nimmt ab. Wenn nämlich die Eingangsspannung des Transistors Tr₀ ansteigt, nimmt die Intensität der ausgesandten Ultraschallwelle· ab.

Dio maximale Ausgangsleistung des Serideverstärkers wird durch die Riickkopplungsschleire über Widerstand H und tempernturabhängigem Widerstand Th bestimmt, während die minimale Ausgangsleistung von den Widerständen R^ und R_1n ■ abhängt. Wenn die Werte der Widerstände R und R,_n klein oder gleich Null gewählt werden, wird die Ausgangsleistung des Sendeschwingers gleich Null, falls die Eingangsspannung des Transistors Tr groß wird, so daß die ganze Schaltung ihren Betrieb unterbricht. Aus diesem Grunde sind die Werte der Widerstände R₀ und R/ς so zu wählen, daß noch eine geringe Ausgangsintensität verbleibt, wenn die Eingangsspannung des Transistors Tr „ so hoch ist, daß dieser Transistor seinen vollen L-. itungszustand erreicht hat.

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BAD ORIGINAL

Claims (3)

1. MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD., 10^8 Oaza Kadoma,

   Kadoma-shi, Osaka/Japan

   Patentansprüche

   ■\Jt Ultraschall-Untersuchungsgerät mit einem Sender, bestehend aus einem frequenzbestimmenden Oszillator-, Verstärker und Sendewandler, und einem Empfänger, bestehend aus Empfangswandler und Verstärker, gekennzeichnet dixrch einen an den Empfangsverstärker (e) angeschlossenen Gleichrichter (f) und eine positive Rückkopplungsschleife (h) von dem Gleichrichter zum Sender über eine Stufe (B, J) mit regelbarer Verstärkung,
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme des Sendeverstärkers (b) übei' die Reihenschaltung einer Diode (D") und eines Widerstandes (U _o), sowie des Kollektor-Emitterkreises eines Transistors (Tr ) geerdet ist und daß eine Rückkopplungsgleichspamiung vom Empfangsgleichrichter (f) auf die Basis des Transistors gegeben wird, so daß der Transistor j(? nach der

   I)r.Hl:/Du.

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   Intensität der auf den Emptangswandler (d) einfallenden Ultraschallwelle mehr oder weniger leitend wird und dadurch den Verstärkungsgrad des Sendeverstärkers regelt.
3. 3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines den Sendeverstärker bildenden Transistors (Tr ) über einen Kondensator (C, ) mit der Verbindungstelle der Serienschaltung aus Diode und Widerstand und des Regeltransistors (Tr.) verbunden ist.

   h, Gerät nach Anspruch 3i gekennzeichnet durch einen zwischen den Hegeltransistor (Tr ) und den Kondensator (c.) eingefügten Widerstand (Rg), der verhindert, daß der Sendeverstärker zu weit heruntergeregelt wird.

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   L e e r s e 1t e